Chişinău, 2011

3

Lucrarea a fost discutată și recomandată pentru editare la ședința Consi liului științific al Institutului de Studii Enciclopedice, proces-verbal nr. 10 din 23 august 2011

Responsabil de ediție: Constantin MANOLACHE, doctor, conferențiar universitar

Recenzenţi: Anatol CASIAN, doctor habilitat, profesor universitar, şef de catedră, Universitatea Tehnică a Moldovei Dan-Alexandru IORDACHE, doctor, profesor universitar, Universitatea „Politehnica”, Bucureşti Mihai VLADIMIR, doctor habilitat, profesor universitar, Universitatea Tehnică a Moldovei

Redactor ştiinţific: Florea ULIU, doctor, profesor universitar, Universitatea din Craiova

Redactori: Mihai PAPUC, Vitalie ȚURCANU, Mihai ADAUGE

Lector: Elena VARZARI, doctor, conferențiar universitar

Traducere rezumat în limba engleză: Tamara MATEI, doctor, conferențiar universitar

Concepție grafică şi machetare: Valeriu OPREA, Natalia NÎȘ

Coperta: Vitalie POGOLȘA

Marinciuc, MihaiFizicieni iluştri / Mihai Marinciuc; red. şt.: Florea Uliu; trad.: Tamara Matei.

– Ch.: Inst. de Studii Enciclopedice, 2011 (Tipogr. „Bons Offices” SRL). – 168 p. – (Colecţia „Dicţionar Biografic”).

ISBN 978-9975-9520-5-7.53(092) M 39

Lucrarea conferențiarului universitar, doctor în fizică Mihai Marinciuc prezintă cititorilor pasionați de lumea fizicii o galerie de 15 portrete biografice ale unor titani ai acestei ştiințe, adevărați deschizători de drumuri în domeniile lor de cercetare. Viața lor constituie modele demne de urmat, iar realizările obținute de ei au determinat progresul tehnic şi calitatea vieții pe Pământ.Cartea este destinată elevilor şi studenților, profesorilor de fizică din gimnazii, licee şi universități, tuturor cititorilor interesați de istoria fizicii.

© Mihai Marinciuc, 2011© Institutul de Studii Enciclopedice, 2011

PRefață

Ca prefaţator al acestei cărţi, pe care aş numi-o „de suflet”, mă aflu în situaţia celui care ar dori să înrămeze un reuşit tablou, realizat de un cunoscut (sau, de ce nu, de un prieten), şi se străduieşte să găsească o ramă potrivită pentru a pune cât mai bine în valoare opera artistului. Într-un anume fel, cel care vrea să facă acest lucru, adică prefaţatorul, este şi el un modest artist, care nu ar fi încântat deloc dacă ar constata că alegerea asupra căreia s-a oprit nu a fost pe placul celui care a pictat reuşitul tablou.

Da, asemeni autorului cărţii, un distins universitar moldovean, sunt şi eu profesor de fizică şi nu-mi este indiferent cum scriu şi, mai ales, cum va fi apreciată, în cele din urmă, această prefaţă pentru cartea unui adevărat prieten. L-am întâlnit, pentru prima oară, pe domnul profesor Mihai Marinciuc în urmă cu peste 15 ani, în cadrul ediţiei din anul 1995 a Concursului de fizică – Evrika – ce se desfăşura la Brăila. Domnia Sa conducea la acea competiţie, devenită în scurt timp tradiţională, un echipaj de elevi moldoveni, atent selecţionat. Am purtat atunci numeroase discuţii despre noi, cei mai în vârstă, separaţi atâta vreme de apele Prutului, dar mai ales despre cei ce vor veni în urma noastră, tinerii aflaţi pe băncile şcolilor sau în amfiteatrele universităţilor. Am ajuns destul de repede la concluzia că, din partea elevilor şi studenţilor, începuse parcă să se manifeste un sensibil dezinteres faţă de procesul de învăţământ şi că mulţi tineri din ţările noastre erau dezorientaţi de ceea ce se petrecea în jurul lor. Am încercat să găsim şi o anumită explicaţie pentru această stare de lucruri şi am ajuns la un punct de vedere comun, apreciind că în societăţile noastre, care au suferit, într-un timp foarte scurt, atâtea convulsii şi transformări, vulnerabilitatea i-a afectat mai ales pe tineri, plini de entuziasm, dar fără prea multă experienţă. Mulţi dintre ei au devenit deconcertaţi şi apatici, fără orizont, şi din lipsa unor modele pozitive, mobilizatoare.

Domnul profesor mi-a mărturisit că este pasionat de Istoria Fizicii şi că în istoria ştiinţelor (nu numai a Fizicii) se pot găsi numeroase exemple grăitoare, de oameni consacrați, interesaţi de tot ce este şi se petrece în jurul nostru, căutători neobosiţi de răspunsuri la tot felul de întrebări, modele demne de urmat şi de reuşită sigură, care i-ar putea

4 5

îndruma corect pe tinerii aflaţi la început de maturizare şi de viaţă responsabilă. L-am sfătuit şi l-am încurajat să scrie o carte de Istoria Fizicii, ce ar fi, pe de o parte, un act de cultură, dar şi un ghid din care cei tineri ar putea învăţa că merită să perseverezi, că adevăratele realizări în viață se obțin prin muncă. Argumentul meu în sprijinul acestui gând era şi experienţa pe care o avusesem eu însumi, când o carte de Istoria Opticii, intitulată Curcubeul – de la mit la adevăr, pe care am lansat-o cu un an mai devreme, s-a bucurat de o frumoasă primire în multe licee din judeţele Olteniei.

Scriu acum cu bucurie câteva cuvinte despre proiectul înfiripat atunci şi ajuns, iată, la faza unei prime realizări concrete. Cartea Fzicieni iluștri se prezintă singură, prin titlul său foarte inspirat. Ea nu este chiar o Istorie a Fizicii în sensul proiectului din anul 1995, ci o versi-une preliminară a ei, care acoperă o perioadă de circa trei secole (în-cepând cu anul 1600). Citind-o cu aplecare, ai în permanenţă senzaţia că de la intrare te-a preluat un ghid şi te conduce printr-o expoziţie de figuri reprezentative din galeria multiseculară de valori perene ale acestui fascinant domeniu al ştiinţei. Cele 15 personalităţi prezentate în carte (cărora, la o viitoare ediţie, li se pot adăuga şi altele) au fost alese după un criteriu incontestabil: importanţa contribuţiilor aduse de fizicianul evocat, apreciate la vremea respectivă şi, mai cu seamă, ulterior, prin impactul lor asupra evoluţiei civilizaţiei umane. Desigur, orice alegere fiind subiectivă, cea din carte ar putea fi şi ea pusă în dis-cuţie. Personal sunt însă întru totul de acord cu selecţia făcută de autor.

La conturarea portretului fiecărei personalităţi, autorul îmbină două procedee: pe de o parte, maniera Who’s Who, în care sunt prezentate datele biografice de bază din viața personajului (data şi locul naşterii, părinţii şi influenţa exercitată de ei, instruirea şcolară, locuri de muncă şi funcţii avute, onoruri de care s-a bucurat în timpul vieţii sau postume etc.) şi, pe de altă parte, analiza densă şi pertinentă a contribuţiilor aduse prin investigaţiile întreprinse şi/sau legile descoperite de el. Pătrunzând destul de adânc în descrierea instalaţiilor şi în esenţa experimentelor realizate de fiecare dintre cei 15 iluştri fizicieni prezentați, autorul aduce în actualitate modul în care se raţiona ştiinţific şi se interpreta un anume fapt/fenomen la vremea respectivă, cu ce mijloace tehnice se putea lucra atunci, care era nivelul de precizie a datelor obţinute în experimente etc. În câteva cazuri este scos în evidenţă eroismul de care au dat dovadă unii fizicieni pentru

a găsi răspunsuri la întrebările care îi frământau (de exemplu, Gay-Lussac, Roentgen, A. Becquerel, P. şi M. Curie).

Aşa cum am mai afirmat, cartea se vrea a fi un ghid, însă nu un ghid oarecare, ci unul cu valenţe educative, având mottoul: „urmaţi-le exemplul!”. Pornind de la exemplele unor personalităţi celebre, ea reuşeşte să transmită un mesaj de optimism către tânăra generaţie, către viitorii intelectuali, cărora le arată în mod convingător că, prin perseverenţă, prin muncă, orice greutăţi pot fi depăşite.

Cartea se adresează deopotrivă elevilor, studenţilor şi profesorilor, cercetătorilor şi inginerilor, oamenilor de cultură în general. Ea se constituie într-un îndemn pentru oamenii de azi care sunt datori să proiecteze cu bună-credinţă şi să construiască pe baze solide viitorul de mâine, prefigurându-l în acelaşi timp şi pe cel de poimâine.

Îl felicit călduros pe prietenul meu pentru cartea pe care ne-o oferă acum, dorindu-i în continuare sănătate şi putere de muncă pentru a o aduce, la viitoarele editări, cât mai aproape de nivelul proiectului gândit împreună în anul când ne-am cunoscut.

Prof. dr. Florea UliU, Universitatea din Craiova

6 7

CuvânT-înainTe

Cartea „Fizicieni iluştri” elaborată de distinsul profesor universi-tar Mihai Marinciuc (Catedra de fizică a Universităţii Tehnice a Mol-dovei, din Chişinău) se înscrie în domeniul biografiilor cu puternic accent pe activităţile profesionale ale titanilor Fizicii, deoarece rezul-tatele obţinute de fizicienii iluştri sunt importante nu doar prin im-plicaţiile lor ştiinţifice şi tehnice privind progresul societăţii umane, ci şi în privinţa metodelor teoretice şi experimentale utilizate într-o anumită etapă de acumulare a cunoştinţelor umane. Au fost publicate cărţi cu acest profil în toate ţările cu puternică dezvoltare tehnico-ştiinţifică.

Domnul profesor dr. Mihai Marinciuc a desfăşurat o îndelungată activitate de studiu al biografiilor unor savanţi iluştri, parte dintre care constituie cuprinsul acestei cărți: William Gilbert, Evangelista Torri-celli, Charles Augustin Coulomb, André Marie Ampère, Hans Chris-tian Oersted, Joseph Louis Gay-Lussac, Georg Simon Ohm, Michael Faraday, Joseph Henry, Heinrich Friedrich Emil Lenz, Jean Bernard Leon Foucault, Hippolyte Armand Louis Fizeau, Ludwig Boltzmann, Wilhelm Konrad Roentgen, Antoine Henri Becquerel. Ei au fost ini-ţiatori ai studiilor şi chiar „deschizători de drumuri noi” în domeniile lor de preocupări: cel al magnetismului, aero- şi hidrostaticii, tribo-logiei, electro- şi magnetostaticii, interacţiunilor dintre conductoarele parcurse de curenţi electrici, legilor gazelor perfecte, electrocineticii, inducţiei electromagnetice, autoinducţiei, sensului curenţilor induşi, efectului electrotermic, giroscopului, curenţilor peliculari, prismelor de birefringenţă, interferometrelor, determinării vitezei luminii, sta-tisticilor clasice, legilor radiaţiei termice, radiaţiilor X (Roentgen), radioactivității naturale.

Subliniez faptul că preocupările domnului prof. univ. dr. fiz. Mi-hai Marinciuc în acest domeniu sunt destul de vechi, Domia Sa pu-blicând deja în revista „Evrika” versiuni prescurtate ale biografiilor unor fizicieni celebri (spre exemplu, Evangelista Torricelli, sept. 2008, p. 20-23, Antoine Henri Becquerel, oct. 2008, p. 25-29, H. F. E. Lenz, febr. 2009, p. 18-21, William Gilbert, martie 2009, p.11-14, Wilhelm Konrad Roentgen, mai–iunie 2009, p. 71-76 etc., inclusiv unele lucrări consacrate istoriei anumitor instrumente fizice, spre exemplu, lucrarea

Utilizarea balanţei de torsiune în experimente fizice fundamentale, iu-lie–august 2008, p. 37-42).

Autorul a „şlefuit” continuu aceste biografii, incluzând un număr important de figuri explicative privind principalele lucrări efectuate de fizicienii prezentați, inclusiv explicaţii detaliate asupra metodelor utilizate, încât arată ca adevărate „bijuterii” din Istoria Fizicii.

În acest scop, D-sa a utilizat creator informaţiile din câteva zeci de cărţi din domeniu, în multiple limbi ale originalelor: româna, rusa, franceza, engleza, germana, bulgara, italiana.

Cea mai exigentă lectură te convinge că ai în față o lucrare cu multe atuuri care şi-au lăsat amprenta pe această realizare deosebită:

– autorul a realizat o selecţie de înaltă valoare ştiinţifică a biografiilor principalilor fizicieni iluştri – „deschizători” de noi căi în Fizică, în decursul secolelor XVI–XIX;

– profesorul universitar dr. Mihai Marinciuc posedă o bogată experienţă didactică (îndeosebi la nivel universitar, dar şi la cel liceal), atât pe plan naţional, cât şi pe plan internaţional, care l-a ajutat să găsească cheia „fermecată” pentru prezentarea materialului, uneori dificil, într-o formă accesibilă şi interesantă;

– autorul a fost preocupat pe durata a peste 30 de ani de problemele biografiilor fizicienilor iluştri, adunând cu migală cele mai diverse şi mai interesante fapte din viața şi activitatea eroilor săi şi publicând o serie de sinteze în reviste cu ISSN de la Chişinău, Brăila, Craiova;

– autorul posedă o excelentă cunoaştere a bogatei bibliografii ruse de specialitate, fapt deosebit de important având în vedere înaltul inte-res manifestat în Rusia pentru aceste probleme, precum şi importanța literaturii ruse din acest domeniu care nu este la fel de bine cunoscută pentru cititorul din România, unde această lucrare va fi apreciată;

– autorul a realizat un echilibru optim între amplitudinea (biografii ale nu mai puţin de 15 fizicieni iluştri) şi profunzimea abordării (70% … 90% din spaţiul fiecărei biografii examinează problemele şi metodele ştiinţifice studiate, respectiv utilizate, de fiecare „deschizător de drum”);

– lucrarea este scrisă într-o factură atractivă şi o manieră „prie-tenoasă” (fără detalii ştiinţifice de specialitate avansată), permiţând înţelegerea problemelor abordate şi de către cititorii care posedă doar cultura ştiinţifică de bază (la nivelul liceal).

Aceste calităţi remarcabile fac ca lucrarea de față să nu aibă în prezent un echivalent în literatura de specialitate din Republica Moldova

8 9

şi România, fiind totodată comparabilă cu sinteze asemănătoare, dar total distincte, realizate în ultimii ani în Franţa (spre exemplu, vol. 5 „La Physique”, din seria „Antologie de Savoir”, Nouvel Observateur, Paris, 2010, cuprinzând biografiile altor fizicieni iluştri), respectiv Grecia (seria „100 de Personalităţi, Oameni care au schimbat destinul lumii”, adaptare pentru limba română după textele originale ale editurii De Agostini Hellas, Atena, 2007–2009, care include biografiile altor 13 savanţi rămaşi în Istoria Fizicii).

Îmi exprim convingerea că nu numai orice profesor sau elev şi student din domeniul Fizicii, dar şi orice intelectual de limbă română va dori să aibă această carte în biblioteca sa personală.

Prof. univ. dr. fiz. Dan-Alexandru IorDAChE, Universitatea „Politehnica” din București

William Gilbert(1544–1603)

Medicul şi fizicianul englez William Gilbert s-a născut în oraşul Colchester la 20 mai 1544, în epoca Renaşterii, perioadă de tranziţie de la Evul Mediu la epoca modernă (secolele XIV–XVI) în care au avut loc importante transformări social-economice şi politice, mari descoperiri geografice (călătoriile lui

Vasco da Gama, Cristofor Columb, Fernando de Magellan ş.a.). Au fost redescoperite culturile antice, greacă şi latină, s-a produs o dezvoltare fără precedent a artei, gândirea social-filosofică a renăscut, au fost puse bazele ştiinţelor moderne ale naturii.

Jerome Gilbert, tatăl lui William, judecător-şef al oraşului, a acordat o atenţie deosebită educaţiei fiului său, pe care l-a trimis să studieze la Universităţile din Cambridge şi Oxford. În anul 1560, tânărul William a obţinut diploma de bacalaureat, iar în 1564 – pe cea de magistru în artă. Cinci ani mai târziu, în 1569, a devenit doctor în medicină. A profesat medicina, în ultimii ani de viaţă devenind medicul personal al reginei Elisabeta I.

Paralel cu această activitate, strict profesională, a manifestat un interes aparte pentru ştiinţele despre natură. Iniţial l-a preocupat mai ales chimia. Apoi a fost pasionat de astronomie. Însă cele mai importante cercetări ale lui William Gilbert se referă la fizică, anume la studiul foarte amănunţit al fenomenelor magnetice şi electrice.

Din timpuri străvechi, minereurile – îndeosebi cele de fier – erau folosite la confecţionarea unor instrumente agricole şi a armelor simple de război. Grecii antici au observat că unele minereuri de fier atrăgeau corpuri din fier sau alte minereuri ce conţineau fier. Faptul îi era bine cunoscut lui Tales din Milet (624–547 î.Hr.), care îl explica admiţând că aceste minerale au suflet; el spunea că numai corpurile însufleţite pot produce mişcare. Ulterior, aceste minereuri au fost numite magneţi. Se pare că, pentru prima dată, ele au fost descoperite în apropierea oraşului Magnesia din Asia Mică.

10 11

În Extremul Orient, chinezii ştiau să magnetizeze barele din fier călit prin deplasarea de-a lungul lor, în contact cu ele, a unor bucăţi de minereu magnetic. Tot ei au stabilit că barele magnetice suspendate cu un fir sau sprijinite pe un vârf ascuţit, care au posibilitatea de a se roti în plan orizontal, ocupă în final o poziţie în care un capăt al lor indică sudul. Fiind scoasă din această poziţie şi eliberată apoi, bara se întoarce în poziţia iniţială, indicând spre sud cu unul şi acelaşi capăt. Din acest motiv barele magnetice de acest fel au fost numite indi-catoare ale sudului. Faptul că spre sud se orientează unul şi acelaşi capăt al acului (barei) demonstrează că cele două capete sunt diferite. Capătul care indică sudul a fost numit pol Sud, iar celălalt – pol Nord. S-a putut stabili astfel că ambele capete ale unui ac magnetic nu numai că atrag corpurile din fier, dar şi interacţionează în mod diferit: polii magnetici de acelaşi nume se resping reciproc, iar cei de nume diferite se atrag.

Proprietatea acului magnetic de a indica o anumită direcţie a fost utilizată în navigaţie, la construirea primelor busole. Acestea au ajuns în Europa, probabil, prin intermediul arabilor. Este destul de răspândită însă şi părerea că busola ar fi fost adusă în Europa, la întoarcerea din China, de către celebrul călător italian Marco Polo.

Prima lucrare despre proprietăţile şi aplicaţiile magneţilor a fost scrisă în secolul al XIII-lea de către învăţatul francez Pierre de Maricourt („dominus experimentorum” – maestrul experienţelor), pe care Roger Bacon îl considera „cel mai mare savant al timpului său”. Această lucrare avea titlul „epistola despre magnet a lui Pierre de Maricourt, zis Pelegrinul, către cavalerul Sigu de fousancourt” (1269). În ea sunt descrise o mulţime de experienţe, sunt prezentate unele proprietăţi ale pietrelor magnetice, inclusiv posibilitatea remagnetizării fierului, este expusă metoda de determinare a poziţiei polilor magnetici cu ajutorul unui ac din fier. Pierre de Maricourt a considerat că acul magnetic ce se poate roti liber nu se orientează spre Steaua Polară (adică spre cer), cum se credea până atunci, ci spre polii (magnetici) ai Pământului. Această Epistolă a fost publicată circa trei secole mai târziu, abia în 1558.

William Gilbert a prezentat cercetările sale referitoare la fenomenele magnetice şi electrice în principalul său tratat – la care a lucrat timp de 17 ani – intitulat „De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure” („Despre magnet, corpuri magnetice şi un

magnet mare – Pământul…”) şi publicat în anul 1600. Lucrarea, care conţine descrierea a circa 600 de experimente, demonstrează deosebita iscusinţă a autorului în aplicarea unor metode experimentale concrete la studierea multor fenomene fizice noi. În ceea ce priveşte utilizarea metodelor experimentale în fizică, de multe ori istoriografii îl compară pe William Gilbert cu Galileo Galilei, contemporanul său. Ei consideră că Gilbert, care a studiat multe fenomene noi, total necunoscute, a fost un adevărat deschizător de drumuri. Cu toate acestea, deşi a fost un rafinat experimentator şi un pionier al domeniului, el a rămas mult în umbra lui Galilei, care, cercetând domenii mai cunoscute şi mai uşor de intuit, cum ar fi mecanica, optica, s-a aflat mai mult în centrul atenţiei în veacul său şi în secolele ce au urmat.

În tratat, pe de o parte, este prezentat nivelul cunoştinţelor din acele vremuri (sfârşitul secolului al XVI-lea) din domeniul magnetismului şi, în plus, sunt descrise foarte multe experienţe proprii, inedite, din care sunt trase, în mod logic, cele mai fireşti şi mai generale concluzii.

Prezentăm acum câteva concluzii, dintre cele mai importante, rezultate din experienţele realizate de William Gilbert.

u Dacă o bară din fier este menţinută mai mult timp lângă un magnet rectiliniu, în continuarea acestuia, bara se magnetizează astfel încât la capătul barei aflat în vecinătatea unui pol al magnetului rezultă polul de nume diferit; altfel spus, un magnet poate să magnetizeze un corp din fier fără a fi pus în contact cu acesta (adică fiind situat la o mică distanţă). În baza acestei concluzii, Gilbert a explicat un fapt stabilit de predecesorii săi: o bară din fier, fixată vertical, se magnetizează cu timpul, astfel încât la capătul superior al ei se află polul magnetic Sud, iar la cel inferior – polul magnetic Nord. Astfel Gilbert demonstrează că Pământul este un magnet gigant.

u La divizarea unui magnet în două fragmente, fiecare din ele reprezintă, la rândul lor, câte un magnet cu doi poli de nume diferite. Continuând divizarea, se obţin, de fiecare dată, câte doi magneţi mai mici, fiecare din ei având câte doi poli de nume diferite; altfel spus, polii magnetici nu pot fi separaţi unul de altul.

u Până la Gilbert se credea că magnetul atrage doar la capete, adică la polii săi. Gilbert a stabilit că acesta atrage în toate punctele suprafeţei sale, dar la poli atracţia este cea maximă.

u Magneţii atrag mai puternic corpurile din fier curat decât pe cele din minereu de fier.

12 13

u Prin fier magnetul atrage la distanţe mai mari decât prin aer.u Ácele magnetice confecţionate din oţel de calitate înaltă se

magnetizează mai puternic.u Gilbert este primul cercetător care a constatat că proprietatea

magnetului de a atrage corpurile din fier dispare la încălzirea magnetului până la incandescenţă. Trei secole mai târziu, acest fenomen a fost studiat cu mult rafinament experimental de către renumitul fizician francez Pierre Curie (1859–1906).

În tratatul „Despre magnet…” Gilbert a expus pe larg rezultatele cercetărilor sale referitoare la magnetismul Pământului, precum şi unele propuneri de aplicare a acestora în practică. Fizicianul admitea că polii magnetici coincid cu cei geografici, respectiv, ecuatorul magnetic co-incide cu ecuatorul geografic, iar meridianele magnetice cu cele geo-grafice. Ulterior s-a stabilit că această ipoteză a fost greşită, dar la etapa iniţială de studiere a magnetismului terestru ea a avut un rol important.

Gilbert a suspendat cu un fir de aţă un ac magnetic, în centrul său de greutate. A observat că acul nu se aşază în poziţie orizontală, ci formează cu aceasta un unghi, numit unghi de înclinaţie magnetică. Polul Nord al acului se află sub planul orizontal, iar polul Sud – deasupra acestui plan. În această poziţie acul indică direcţia meridianului magnetic. Într-un alt experiment, Gilbert a constatat că, în intervale

de timp egale, o sârmă de oţel se magnetizează mai puternic dacă se află de-a lungul meridianului magnetic şi nu în direcţie orizontală sau verticală.

În Figura 1, preluată din trata-tul „Despre magnet…”, este re pre-zentată imaginea unei alte insta laţii realizate de Gilbert, care permitea mă-surarea unghiului de înclinaţie mag-netică. Acul magne tic trecut printr-o sferă de plută şi împreună cu ea, în echilibru indiferent, introdus în inte-riorul unui li chid, indică astfel direc-ţia meri dianului magnetic. Proiectarea şi realizarea acestei instalaţii de mon-strează convingător ingeniozitatea

deosebită şi calităţile înalte de experimentator ale lui Gilbert. El con-sidera că determinarea unghiului de înclinaţie magnetică permite calcularea latitudinii geografice a locului respectiv de pe suprafaţa Pământului, lucru foarte important în navigaţie. Însă, după cum s-a aflat mai târziu, polii magnetici nu coincid cu cei geografici şi, prin urmare, doar cunoaşterea înclinaţiei magnetice nu este suficientă şi nu permite calcularea latitudinii geografice.

Pentru a studia mai detaliat magnetismul terestru, Gilbert a confecţionat o sferă din minereu de fier şi a magnetizat-o. Modelul realizat a fost numit terrella – un Pământ micuţ. A cercetat mag-netismul acestei sfere, plasând în jurul ei ace magnetice mici în poziţii şi la distanţe diferite. Prin această modalitate a stabilit că atracţia unui capăt al acului spre un punct al sferei este maximă, iar atracţia capătului al doilea al acului este maximă spre punctul diametral opus al sferei. Astfel au fost determinate poziţiile polilor magnetici ai terrellei. În puncte diferite ale acesteia ácele magnetice ocupă poziţii bine determinate, de-a lungul unor linii ce unesc polii magnetici. Fenomenul se aseamănă întocmai cu comportarea acului busolei în locuri diferite de pe suprafaţa Pământului.

Gilbert a constatat că, din loc în loc, unghiul de înclinaţie al acului magnetic variază: el se micşorează la trecerea de la polii terrellei spre ecuator, unde devine nul – la ecuator acul magnetic lăsat liber se aşază în poziţie orizontală. Compararea cantitativă a rezultatelor obţinute cu ajutorul terrellei şi a datelor ce se referă la magnetismul terestru nu putea fi efectuată, deoarece ultimele lipseau. La momentul respectiv era cunoscută valoarea unghiului de înclinaţie magnetică doar pentru Londra; pentru Paris acest unghi a fost măsurat abia în 1671, iar pentru Berlin – în 1755.

În baza experimentelor cu terrella, Gilbert a tras concluzia că Pământul ar putea fi considerat un magnet gigantic având polii magnetici situaţi în aproprierea celor geografici.

Până la Gilbert busola era construită dintr-un mic ac magnetic, plasat pe o bucată de plută sau lemn, care se afla pe suprafaţa unui lichid. Această busolă primitivă indica doar direcţia sud-nord. Gilbert a construit o busolă (Fig. 2) ale cărei elemente principale se regăsesc în toate busolele construite ulterior. De partea inferioară a unui disc era fixat un magnet mic. Acesta se afla pe vârful unui ac şi se putea roti liber în plan orizontal. Pe partea superioară a discului, în centru, era Fig. 1

14 15

reprezentată roza vânturilor – o stea cu 8 colţuri care indicau cele patru puncte cardinale: Nord, Sud, Est, Vest, precum şi direcţiile intermediare: Nord-Est, Sud-Est, Sud-Vest şi Nord-Vest (Fig. 2, a). Direcţia spre Nord era marcată cu simbolul heraldic al crinului, prezent pe stema regilor Franţei. Partea centrală era înconjurată de două inele: primul avea 16 diviziuni, iar cel de al doilea – 32 diviziuni, care în navigaţie sunt numite rumburi. În fine, la margine se afla un inel ce se putea roti liber în jurul discului. Pe acest inel exterior erau reprezentate două scale având diviziuni de la 0 la 90, unde două diviziuni 0 se aflau pe linia orizontală în punctele (găurile) A şi B, situate diametral opus unul față de altul.

În aceste găuri se instala un dispozitiv special (Fig. 2, b) care avea fixată în partea de sus o riglă orizontală, dispusă în planul vertical AB. Pe riglă erau întărite două pătrate mici, în centrele cărora era câte un orificiu mic: D şi E. Discul exterior era rotit în aşa fel, încât linia orificiilor să se afle în direcţia necesară, iar pe scală era citită valoarea unghiului dintre aceasta şi direcţia spre unul din punctele cardinale.

Un capitol aparte al tratatului lui Gilbert este consacrat fenomenelor electrice. În acest domeniu, prin persoana lui Tales din Milet (sec. VI î.Hr.), Antichitatea a lăsat ca moştenire doar observaţia că chihlimbarul supus frecării atrage corpuri uşoare. Gilbert a cercetat diferite substanţe pentru a stabili dacă şi ele posedă această proprietate sau fenomenul este propriu numai chihlimbarului. A utilizat o metodă simplă: pe ascuţişuri verticale erau situate bastonaşe subţiri ce se puteau roti uşor în plan orizontal; corpuri din substanţe diferite au fost supuse frecării şi apropiate, în plan orizontal, de capătul beţişorului, constatând, astfel, că în unele cazuri bastonaşul se rotea, iar în altele – nu. Acest dispozitiv este considerat azi ca un prototip al electroscopului.

Corpurile care în urma frecării posedau proprietatea de atracţie a chihlimbarului, supus frecării şi el, au fost numite corpuri electrice. Denumirea provine de la traducerea din limba greacă a cuvântului

„chihlimbar” – electron. De aici provin şi termenii electricitate, electrizare... ş.a. Astfel, terminologia din acest important domeniu al fizicii o datorăm lui Gilbert. El a stabilit că din categoria corpurilor electrice fac parte ametistul, diamantul, opalul, safirul, sarea de bucătărie, sulful, răşina ş.a., iar perla, smaraldul, oasele, toate metalele ş.a. sunt corpuri neelectrice, adică, fiind frecate, nu atrag corpuri uşoare. Dezvoltarea ulterioară a fizicii a făcut lumină şi în acest domeniu atât de spectaculos, ale cărui începuturi, uneori şovăielnice, sunt şi ele legate de numele lui Gilbert.

Atracţia corpurilor uşoare de către cele electrizate prin frecare era explicată prin acţiunea unei forţe electrice. Gilbert a stabilit că la distanţe mici forţa este mai puternică. Menţionăm că la timpul respectiv nu era cunoscută respingerea electrică.

Electrizarea prin frecare s-a dovedit a fi mai eficientă în zilele cu soare şi cu vânt uscat, deoarece, în aceste condiţii, corpurile electrizate îşi păstrau proprietăţile mai mult timp, până la 10 minute. La umezirea aerului din jurul unui corp electrizat sau la apropierea flăcării de el, forţa electrică dispărea.

Gilbert nu a reuşit să stabilească asemănări între fenomenele electrice şi cele magnetice, ci doar deosebiri. Considerându-le de naturi diferite, el a separat net manifestările acestor fenomene. Să enumerăm principale deosebiri constatate de el:

• Proprietăţile electrice apar în urma frecării corpurilor, dar cele magnetice sunt proprietăţi permanente ale substanţei.

• Umiditatea aerului înconjurător nimiceşte acţiunea electrică, dar nu o influenţează pe cea magnetică.

• Corpurile electrizate atrag orice corpuri uşoare, dar magneţii numai pe cele care conţin fier.

• Corpurile electrizate ridică doar corpuri uşoare, dar magneţii pot ridica corpuri grele.

A trebuit să treacă mai bine de două secole până s-a demonstrat experimental că fenomenele electrice şi cele magnetice sunt strâns legate între ele, inseparabile, iar în fizică s-a încetăţenit şi s-a impus definitiv noțiunea de fenomene electromagnetice.

Gilbert a mai scris o lucrare, destul de eterogenă, de dimensiuni mai mici, intitulată „De mundo nostro sublunari philosophia nova” („O nouă filosofie despre lumea noastră de sub lună”), în care se pronunţă ferm împotriva concepţiei lui Aristotel din Stagira (384–

Fig. 2

16 17

322 î.Hr.) despre lume, neagă afirmaţiile filosofului grec cu privire la existenţa unor calităţi şi elemente (stihii) care constituie temelia lumii înconjurătoare. În această lucrare, publicată postum, abia în 1651, Gilbert s-a manifestat ca un adept convins al sistemului heliocentric propus de Copernic (1473–1543), contribuind astfel, într-o oarecare măsură, la propagarea sa în Anglia. Gilbert a considerat greşit că mişcarea orbitală a planetelor în jurul Soarelui ar fi dirijată de forţele magnetice, care se manifestă la distanţe aşa de mari. Astfel, împotriva celor ce puteau concepe forţa doar ca acţiune a unor corpuri materiale aflate în contact direct, el introduce în fizică ideea de „acţiune la distanţă”. Mai târziu, spre sfârşitul secolului al XVII-lea, Isaac Newton (1643–1727) a stabilit că planetele sunt menţinute pe orbitele lor nu de forţe magnetice, cum ar fi putut crede unii, ci de forţe gravitaţionale, de atracţie universală.

Menţionăm că şi marele său contemporan, Galileo Galilei, a apre-ciat greşit importanţa forţelor magnetice. Luând cunoştinţă de tratatul lui Gilbert, el a admis că magnetismul ar putea fi cauza rotaţiilor plan-etelor în jurul axelor proprii.

Îmbolnăvindu-se de ciumă, William Gilbert s-a stins din viaţă la 30 noiembrie 1603.

Meritele sale ştiinţifice sunt incontestabile. El a atras atenţia lu-mii ştiinţifice asupra fenomenelor magnetice şi electrice şi asupra necesităţii studierii lor. Poate fi considerat părinte al metodelor ex-perimentale în acest domeniu. În mod indiscutabil, cercetările sale au impulsionat în foarte mare măsură studiul magnetismului terestru.

evangelista Torricelli (1608–1647)

Fizicianul şi matematicianul italian Evangelista Torricelli s-a născut la 15 octombrie 1608 într-un mic orăşel, Faenza, în familia unui meşteşugar. A rămas orfan la o vârstă fragedă şi a fost educat de un unchi al său, călugăr iezuit. Studiile primare le-a făcut la şcoala iezuiţilor din localitate, unde a urmat cursuri de matematică şi de filosofie. Profesorii au observat deosebitele succese la învăţătură

ale tânărului Evangelista şi au propus familiei sale să-l trimită la Roma pentru a-şi continua studiile la un nivel avansat.

Aici a devenit elev al matematicianului, vestit în acele timpuri, Benedetto Castelli (1577–1644), prieten şi discipol al genialului Galileo Galilei (1564–1642), pe care l-a asistat la o serie de observaţii astrono-mice, la descoperirea petelor din Soare şi la urmărirea modificărilor în timp ale acestora. Castelli i-a propus lui Galilei o metodă indirectă de observare, proiectând pe un ecran imaginea Soarelui formată de lunetă şi protejând astfel vederea. În anul 1628 Castelli a publicat două tratate: „Despre măsurarea curentului de apă” şi „Demonstraţie geometri-că referitoare la măsurarea curentului de apă”. În ele a fost formulat principiul fundamental al hidrodinamicii referitor la curgerea staţiona-ră a lichidelor prin tuburi: viteza de curgere este invers proporţională cu aria secţiunii transversale a canalului.

Primele preocupări ştiinţifice ale lui Torricelli țin de geometrie şi se referă la teoria curbelor. Rezultatele obţinute în această perioadă, de început, au fost publicate în cartea postumă, intitulată „Opera matematica”.

Fiind familiarizat, prin intermediul lui Castelli, cu lucrările lui Galilei, Torricelli a rămas impresionat de noile idei ştiinţifice ale maestrului, de metodele sale de cercetare, şi, ulterior, şi-a consacrat propria activitate domeniilor de cercetare ale acestuia.

Rezultatele obţinute de către Torricelli în mecanică au fost publicate în 1641, la Florenţa, în lucrarea „Trattato del moto del gravi”

18 19

(„Tratat despre mişcare şi greutate”). Tradusă în latină, lucrarea a fost publicată în 1644 sub denumirea „De motu gravium descendentum et projectorum libri duo” („Despre mişcarea liberă a corpurilor în cădere şi a celor aruncate”). Aceasta a fost singura lucrare publicată de Torricelli în timpul vieţii sale.

În prima parte a lucrării au fost confirmate şi dezvoltate unele dintre rezultatele obţinute de către Galilei. A cercetat cu migală mişcarea corpurilor în cădere liberă. A confirmat rezultatul lui Galilei privind viteza corpului lăsat să cadă liber: viteza lui este proporţională cu timpul căderii și nu cu distanţa parcursă, cum se credea până la Galilei. De asemenea, a demonstrat, independent de Galilei, că viteza atinsă de corpurile lăsate să se mişte pe plane înclinate de înălţimi egale are, la baza planului, una şi aceeaşi valoare, oricare ar fi unghiul format de plan cu orizontala.

Torricelli a dezvoltat teoria lui Galilei privind mişcarea liberă a corpurilor aruncate. Dacă Galilei a cercetat doar mişcarea unor corpuri aruncate orizontal, Torricelli a studiat cazul general de mişcare a corpurilor aruncate oblic faţă de orizontală, demonstrând că şi de această dată traiectoria lor este parabolică. El a demonstrat de asemenea şi reversibilitatea mişcării corpului aruncat: dacă i se imprimă corpului aflat în punctul de cădere o viteză egală în modul cu cea avută de el la momentul căderii, dar orientată în sens contrar, traiectoria corpului este identică cu cea parcursă până la cădere, dar de această dată corpul se mişcă în sens invers până la poziţia ocupată de el la momentul iniţial.

Torricelli a studiat echilibrul unui sistem de două corpuri, supus unor legături, şi a stabilit că ele se află în această stare (de echilibru) în cazul în care, la deplasările compatibile cu legăturile, centrul de greutate comun nu poate coborî. Această afirmaţie este cunoscută în prezent sub numele de principiul lui Torricelli. Ulterior, acest principiu a fost generalizat de către olandezul Christian Huygens (1629–1695) pentru un sistem de mai multe corpuri şi a fost pus la baza teoriei elaborate de el referitor la funcţionarea ceasornicelor cu pendul.

O bună parte a lucrării lui Torricelli este consacrată problemei curgerii lichidelor prin orificii, problemă studiată din punctul de vedere al ideilor lui Galilei despre mişcare, precum şi al rezultatelor obţinute de către Castelli în acest domeniu.

Torricelli a stabilit că jetul de apă, ieşit prin orificiul din peretele lateral al vasului, are formă parabolică. Jetul ajunge la o distanţă mai

mare (pe orizontală) faţă de peretele vasului, dacă orificiul se află la mijlocul înălţimii coloanei de apă. Dacă însă jeturile ies prin orificii situate mai jos şi mai sus de orificiul de la mijloc, la distanţe egale de acesta, ele parcurg distanţe orizontale egale (Fig. 3). Orientând jetul de apă vertical în sus, el a constatat că înălţimea la care se ridică este ceva mai joasă decât nivelul lichidului din vas (Fig. 4). A admis că, în lipsa rezistenţei ce se opune curgerii lichidului, jetul de lichid ar fi urcat la nivelul din vas, ceea ce este o ilustrare a legii conservării şi transformării energiei, stabilite ulterior.

Forma parabolică a jetului de apă i-a sugerat o analogie cu mişcarea liberă a corpului aruncat oblic. Pentru a confirma această analogie, Torricelli a realizat un experiment original: a evaluat cantităţile de lichid ce au curs prin orificiu în intervale succesive şi egale de timp. A constatat că, în fiecare interval de timp ulterior, prin orificiu curge o cantitate de lichid mai mică decât cea care a curs în intervalul precedent. Dacă se consideră drept unitate cantitatea de lichid ce a curs prin orificiu în ultimul interval de timp, atunci cea care a curs în intervalul precedent este egală cu 3 unităţi, iar cea care a curs în intervalul anterior – cu 5 unităţi etc. Astfel, cantităţile de lichid se raportează ca numerele impare, 1 : 3 : 5 : 7 : ... . Acelaşi raport se obţine pentru distanţele parcurse de un corp aruncat vertical în sus, în intervale egale de timp, dacă se consideră drept unitate distanţa parcursă de el în ultimul interval de timp. Analogia intuită a fost demonstrată experimental.

În baza acestei analogii, Torricelli a formulat un principiu con-form căruia apa care curge din vas iese cu viteza pe care ar poseda-o un corp greu, deci și o picătură separată din această apă, căzând liber de la nivelul lichidului din vas până la nivelul orificiului. Pentru valoarea acestei viteze a fost stabilită expresia

a h=v , (1)

unde h este diferenţa dintre nivelul lichidului din vas şi locul orificiului, iar a este o mărime constantă.

Fig. 4

Fig. 3

20 21

Prin formula (1), stabilită de Torricelli, a fost corectat rezultatul lui Castelli care considera că viteza de curgere este direct proporţională cu diferenţa de nivel ( ). Tot în baza acestei formule s-a stabilit că intervalele de timp 1t şi 2t , în care coloanele de lichid de înălţimi 1h şi

2h curg în întregime din vas, satisfac relaţia 1 2 1 2: :t t h h= . Formula (1) a vitezei de curgere a fost precizată în secolul al

XVIII-lea de către Daniel Bernoulli (1700–1782), care a scris-o sub forma

, (2)unde g este acceleraţia gravitaţională. Formula (2) poartă numele de formula lui Torricelli şi este inclusă şi analizată în manualele şcolare de fizică.

În baza formulei (2) putem explica situaţia reprezentată în Figura 3. Coloana de apă deasupra orificiului 1 are înălţimea

1 0h h b= − , deci viteza de curgere a lichidului prin acest orificiu este . Corespunzător, în cazul orificiului 2

avem 2 0h h b= + şi . Înălţimea orificiului 1 deasupra mesei pe care se află vasul cu lichid este 1 0H h b= + , deci intervalul de timp 1t , în care picătura ce iese prin orificiu ajunge la masă, egal cu timpul căderii libere de la această înălţime, se determină din

condiţia 21 1 2H gt= , de unde ( )1 1 02 2t H g h b g= = + . Orificiul 2

se află la înălţimea 2 0H h b= − deasupra mesei şi timpul corespunzător

căderii libere este ( )2 02t h b g= − . Distanţa parcursă pe orizontală

de jetul ieşit prin orificiul 1 are valoarea , iar

distanţa parcursă de al doilea jet este . Astfel am demonstrat că 1 2L L= , adică jeturile ieşite prin orificiile 1 şi 2 (Fig. 3) cad în acelaşi loc de pe masă. Din expresiile obţinute se observă că distanţa L este maximă dacă b = 0, anume max 02L h= . Jetul de apă ieşit prin orificiul situat la mijlocul înălţimii coloanei de apă parcurge pe orizontală distanţa maximă, aceasta fiind egală cu înălţimea coloanei de apă din vas.

Posteritatea a apreciat cu superlative rezultatele lui Torricelli în domeniul hidrodinamicii. Pe bună dreptate, cunoscutul savant austriac Ernst Mach (1839–1916) l-a numit fondator al hidrodinamicii.

În primăvara anului primei apariţii a tratatului menţionat mai sus, Castelli l-a vizitat pe Galilei la vila acestuia de la Arcetri, lângă Florenţa, unde marele savant avea un fel de „domiciliu forţat”. Aici Castelli i-a expus lui Galilei rezultatele cercetărilor de mecanică ale lui Torricelli şi l-a recomandat pe acesta pentru ocuparea postului de asistent personal. Ca urmare, în octombrie 1641, Torricelli a sosit la Arcetri să-l ajute pe Galilei (ajuns la o vârstă venerabilă) la efectuarea cercetărilor sale. L-a asistat la studierea ciocnirii corpurilor şi au constatat că forţele ce se manifestă în aceste cazuri sunt mult mai mari decât cele de presiune. Colaborarea lor a fost însă de foarte scurtă durată, căci în ianuarie 1642 Galilei se stingea din viaţă. Lângă patul lui Galilei, în ultimele sale clipe de viaţă, s-au aflat Torricelli şi Vincenzo Viviani (1622–1703), un alt discipol al său. Ei l-au condus pe ultimul drum pe marele savant.

La funeralii a fost prezent şi marele duce de Toscana, cel care l-a angajat, apoi, pe Torricelli în postul rămas vacant. Astfel acesta a devenit filosof şi prim-matematician al Majestăţii Sale, fiind transferat la Florenţa.

Torricelli s-a dovedit a fi un destoinic discipol şi continuator al lui Galilei, activând în majoritatea domeniilor în care s-a manifestat acesta, aplicând în cercetările sale metoda experimentală elaborată de Galilei, având astfel un aport la afirmarea pe larg a acesteia în fizică.

A contribuit la perfecţionarea metodelor de măsurare a temperaturii. În locul termoscopului lui Galilei a inventat şi a construit un termoscop special cu alcool – predecesorul termometrului cu lichid de azi.

În domeniul opticii, începând cu anul 1642, a efectuat cercetări având ca scop perfecţionarea lunetelor şi a microscoapelor. A utilizat bile mici de sticlă în calitate de lentile, a şlefuit lentile de o calitate înaltă. În prezent, la Florenţa, se mai păstrează o lentilă confecţionată de Torricelli. În anul 1923 calitatea ei a fost verificată cu multă atenţie de specialişti, utilizând metodele interferometrice moderne, şi s-a constatat, cu un grad înalt de precizie, că ea este o lentilă aproape perfectă.

I-a adus faimă mondială lui Torricelli o descoperire efectuată de asemenea în continuarea cercetărilor lui Galilei, preocupări pornite şi impulsionate de activitatea practică a omului. La Florenţa, apa folosită la udarea grădinilor de legume şi a livezilor era scoasă din fântâni cu ajutorul pompelor de absorbţie. Acestea prezentau un tub cu piston şi cu supapele respective. Iniţial pistonul era plasat la capătul inferior

22 23

al tubului, capăt introdus în apă. La ridicarea pistonului apa urca după el. Fenomenul se explica prin „oroarea de vid”, o concepţie bimilenară ce exista de pe vremea lui Aristotel (384–322 î. Hr.). În conformitate cu această concepţie, „oroarea de vid” era cauza mişcării corpurilor după încetarea acţiunii forţelor ce se exercitaseră asupra lor. La mişcarea corpului aruncat, în spatele său s-ar obţine vid, dar natura are teamă de vid, din care cauză aerul se deplasează spre locul unde s-ar forma vidul şi împinge astfel corpul înainte.

Mare a fost uimirea locuitorilor Florenţei atunci când la încercarea de a scoate apa din

fântâni mai adânci s-a constatat că apa nu poate urca în urma pistonului pompei la înălţimi mai mari decât 18 coţi (ceva mai mult de 10 m).

Pentru a explica acest fapt, Galilei a considerat că „oroarea de vid” este limitată şi nu poate depăşi forţa de greutate a coloanei date de apă. A expus şi un experiment special (Fig. 5). În interiorul vasului cilindric CABD se poate deplasa pistonul cilindric GEFH care se află în contact strâns cu pereţii vasului. Pistonul are un canal prin care trece tija IK, de formă specială. Cilindrul este aşezat cu fundul în jos şi umplut cu apă, apoi pistonul este introdus şi mişcat spre fundul cilindrului cu tija puţin deplasată pentru ca apa să iasă din cilindru. Apoi cilindrul este întors cu fundul în sus. În acest fel se realizează situaţia când deasupra pistonului nu se află aer, ci doar o cantitate foarte mică de apă. Plasând greutăţi în căldăruşa suspendată de cârligul K al tijei, se determină

forţa care se opune formării vidului.Continuând aceste cercetări ale lui Galilei,

Torricelli a decis să efectueze un experiment în care coloana de apă să fie înlocuită cu una de mercur, a cărui densitate este de circa 14 ori mai mare decât a apei. Sub îndrumarea şi la rugămintea lui Torricelli, experimentul a fost realizat în 1643 de către Viviani. S-a luat un tub subţire de sticlă cu lungimea de circa 1 m, cu un capăt sudat, şi a fost umplut cu mercur. Capătul deschis a fost astupat cu degetul, tubul a fost răsturnat cu capătul deschis în jos (Fig. 6, a)

şi introdus într-un vas cu mercur. După ce degetul care îl astupa a fost retras, s-a observat că doar o parte din mercurul din tub s-a scurs în vas (Fig. 6, b).

Torricelli a constatat că înălţimea coloanei de mercur rămase în tub este de circa 76 cm, adică aproximativ de 14 ori mai mică decât înălţimea maximă a coloanei de apă ce urcă în urma pistonului pompei de absorbţie. Din nou acelaşi raport 14! Înălţimea coloanei de mercur rămase în tub este de atâtea ori mai mică decât a celei de apă, de câte ori densitatea mercurului este mai mare decât densitatea apei.

Acest experiment a fost repetat în mai multe variante. În una din ele (Fig. 7), două tuburi diferite au fost introduse în unul şi acelaşi vas cu mercur. S-a constatat că înălţimile coloanelor rămase în ele sunt egale, în timp ce spaţiile vidate din tuburi au volume diferite.

În urma acestei experienţe, dar şi a altora, cu tuburi de forme diferite, s-a ajuns la concluzia că nu vidul este cauza urcării mercurului în tuburi. Această cauză se află în exteriorul tubului.

Torricelli şi-a expus rezultatele observaţiilor în două scrisori ex-pediate unui prieten al său, matematicianul şi cardinalul Michelangelo Ricci (1619–1692). În prima dintre ele (11 iunie 1644) Torricelli scrie clar că „mercurul urcă până la nivelul la care el echilibrează greutatea aerului exterior ce produce presiune asupra lui”. Un argument în fa-voarea acestei concluzii este cel al valorii raportului dintre densităţile mercurului şi ale apei, pe de o parte, şi al raportului înălţimilor coloa-nelor rămase în tuburi, pe de altă parte (valori menţionate mai sus). În cea de-a doua scrisoare (28 iunie 1644) Torricelli încearcă să schiţeze o teorie a presiunii atmosferice.

Prin aceste experienţe Torricelli a realizat două descoperiri importante: a demonstrat posibilitatea obţinerii vidului și existenţa presiunii atmosferice. Destul de convingător în acest sens a fost un alt experiment: deasupra mercurului din vasul în care era introdus tubul cu coloana de mercur a fost adăugat un strat de apă, destul de gros, apoi tubul a fost ridicat lin în poziție verticală. La momentul de timp în care capătul inferior, deschis, al tubului a trecut din mercur în apă, mercurul din tub a curs în vas şi în tubul gol a fost absorbită apă

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

24 25

până la capătul sudat. Astfel s-a demonstrat că, într-adevăr, spaţiul de deasupra coloanei de mercur din tub era vidat.

În urma unor observaţii de mai lungă durată, Torricelli a constatat că înălţimea coloanei de lichid din tub este variabilă, în funcţie de starea atmosferei, de temperatura ei, ceea ce este încă un argument în favoarea existenţei presiunii atmosferice. Acest aparat poate fi folosit pentru a cerceta starea atmosferei şi a face unele prognoze meteo. Ulterior, el a fost numit baroscop, apoi barometru, iar Torricelli este considerat inventatorul lui (în Figura 8 este reprezentat un barometru cu sifon).

Torricelli a încercat să aplice cunoştinţele obţinute la explicarea unor fenomene atmosferice. În această ordine de idei, în anul 1644 a susţinut lecţia „Despre vânt” (în Figura 9 este prezentată imaginea copertei acestei lucrări, publicată abia în anul 1715). În acea perioadă exista părerea că vântul este cauzat de nişte emanaţii ale pământului umed, argumentându-

se prin faptul că, uneori, după ploi, bat vânturi mai puternice şi mai îndelungate ca de obicei. Torricelli a menţionat că această explicaţie nu este întotdeauna valabilă. El a adus ca argument următoarea ob-servaţie: în zilele călduroase aerul din afară este mai rarefiat decât cel

din casă şi la intrarea în casă sesizăm un vânt din faţă, chiar dacă afară aerul este liniştit. După Torricelli, vântul este condiţionat de faptul că, în diferite locuri, densitatea aerului nu este una şi aceeaşi. Astfel, au fost puse bazele concepţiei despre circulaţia generală a aerului din atmosfera terestră.

Rezultatele obţinute de Torricelli, pre -cum şi spectaculoasele sale experienţe, au atras atenţia unor gânditori din alte ţări. Savantul francez Blaise Pascal (1623–1662) a aflat despre acestea în anul 1646. A procurat tuburi de sticlă cu lungimi de circa 12 m şi a repetat experimentele în cauză cu apă, mercur şi vin roşu, confir-mând rezultatele lui Torricelli.

Ideea unui alt experiment i-a fost sugerată de către René Descasrtes (1596–1650), care considera că presiunea atmosferică scade odată cu creşterea înălţimii deasupra Pământului. Respectiv, coloana de mercur rămasă în tub atunci când acesta se află la poalele muntelui este mai mare decât în cazul când tubul se află în vârful lui. La rugămintea lui Pascal, la 19 septembrie 1648, vărul său, Florin Périer, a măsurat coloana din tub la poalele muntelui Puy-de-Dôme şi în vârful acestuia, confirmând presupunerea iniţială. Ulterior Pascal a repetat măsurătorile la baza şi în vârful turnului Saint-Jacques de lângă Paris.

În urma acestor serii de experimente, concepţiile lui Torricelli referitoare la existenţa presiunii atmosferice au fost pe deplin confirmate. Ele s-au răspândit treptat în toată Europa şi apoi în lume.

Torricelli a încetat din viaţă la Florenţa, la 25 octombrie 1647, la doar 10 zile după ce împlinise 39 de ani. În viaţa sa atât de scurtă el a făcut descoperiri extrem de importante. Numele lui s-a păstrat în fizică, în expresii precum: experienţa lui Torricelli, formula lui Torricelli, principiul lui Torricelli. În cinstea lui a fost definit ca unitate de presiune „torr”-ul: un torr este presiunea produsă de o coloană verticală de mercur cu înălţimea de un milimetru:

Fig. 8

Fig. 9

1 torr = 1mm Hg = 133 Pa.

26 27

Charles augustin Coulomb(1736–1805)

Ilustrul savant şi inginer francez Ch. A. Coulomb s-a născut la 14 iunie 1736 în Angoulême, un orăşel din sud-vestul Franţei. Tatăl lui Charles, Henry Coulomb, era funcţionar guvernamental. La scurt timp după naşterea fiului, împreună cu familia, au fost transferaţi cu domiciliul la Paris. Mama dorea ca

băiatul ei să devină medic. În acest scop l-a înscris la una din cele mai prestigioase şcoli ale timpului – Colegiul celor Patru naţiuni, denumit mai mult Colegiul Mazarini, în cinstea vestitului cardinal care a lăsat testament pentru deschiderea lui. În colegiu matematica se studia la un nivel foarte înalt. Charles era pasionat de matematică, de aceea a frecventat paralel şi orele de matematică de la Colegiul Regal din Paris.

După absolvirea colegiului, Charles a plecat la Montpellier, unde îşi avea serviciul tatăl său. Aici a participat la activităţile (şedinţele) societăţii ştiinţifice din localitate, unde a putut să-şi prezinte trei memorii-lucrări de matematică şi trei de astronomie. În cele de astronomie Charles a expus rezultatele propriilor observaţii asupra unei comete şi a unei eclipse de Lună.

Începând cu anul 1760, Ch. Coulomb îşi continuă studiile la Şcoala de Geniu din Mezières, considerată la timpul respectiv una dintre cele mai bune instituţii superioare ce pregăteau ingineri mili-tari. L-a avut ca profesor de fizică pe Jean Antoine Nollé (1700–1770), primul cercetător care a observat difuziunea în lichide şi care a inven-tat electroscopul. După absolvirea şcolii a activat în calitate de inginer militar în diferite oraşe, atât în Franţa continentală, cât şi pe insula Martinica, o colonie a Franţei în partea de vest a Oceanului Atlantic, unde, pe parcursul a opt ani, a condus construirea fortăreţei Bourbon, destinată apărării insulei.

Paralel cu activitatea pe tărâm militar, Coulomb efectua şi cercetări ştiinţifice. În prima sa lucrare, intitulată „Cu privire la aplicarea regulilor maximelor şi minimelor în unele probleme de statică, cu aplicare în arhitectură”, Coulomb a expus rezultatele pro-

priilor cercetări experimentale şi teoretice legate de activitatea pe care o desfăşura zi de zi. Este vorba despre unele probleme din domeniul rezistenţei materialelor, în particular, despre teoria încovoierii barelor, a calculelor arcadelor ş.a. Lucrarea a fost prezentată în două şedinţe consecutive (din martie şi aprilie 1773) ale Academiei Franceze, fiind apreciată foarte înalt.

Academia organiza periodic concursuri consacrate problemelor actuale ale ştiinţei de atunci. O astfel de problemă „actuală” era cea a perfecţionării construcţiei busolei magnetice în scopul studierii detaliate a câmpului magnetic terestru, a măsurării cu mare precizie a unghiurilor de deviaţie ale acului magnetic (unghiul dintre meridianul magnetic şi cel geografic). În anul 1777, împreună cu suedezul Wan Swinden, Coulomb a devenit câştigătorul unui astfel de concurs. El a confecţionat ace magnetice de forme specifice şi a propus o metodă eficientă de magnetizare mai intensă a acestora: mijlocul lor era atins simultan de capetele a doi magneţi-bară, cu polii de nume diferite, după care aceştia erau deplasați spre capetele ácelor. Procedeul era repetat de câteva ori. Pentru a micşora frecarea în axul de rotaţie al acului magnetic, Coulomb a propus suspendarea lui de un fir de mătase (Fig. 10). Pentru a alege cel mai potrivit tip de fir, a cercetat cu multă migală proprietăţile diferitor tipuri de materiale (fire), alegând în cele din urmă mătasea.

În anul 1781, un alt memoriu al lui Coulomb, consacrat, în principal, studiului frecării exterioare, frecării dintre suprafeţele de corpuri solide, intitulat „Teoria mecanismelor simple”, a fost apreciat cu premiul întâi al Academiei din Paris. Fenomenul frecării era cunoscut încă în Antichitate, dar primele rezultate ştiinţifice referitoare la el au fost obţinute de abia la sfârşitul secolului al XVII-lea de către savantul francez Guillaume Amontons (1663–1705), cunoscut prin aportul său la perfecţionarea unor instrumente fizice. Amontons a construit higrometrul (1687), un barometru fără mercur (1695) şi termometrul cu aer (1702), a cărui construcţie este similară cu cea a

Fig. 10

28 29

termometrului cu gaz din zilele noastre. El a observat că temperatura de fierbere a apei (la presiune normală) rămâne constantă; tot el – şi nu Celsius – este primul învăţat care a propus-o ca punct de reper al scării termometrice. Mai mult, în anul 1702, Amontons a ajuns la concluzia existenţei temperaturii de zero absolut, pentru care a obţinut valoarea de –239,5 oC !

În anul 1699, Amontons a realizat un experiment care în prezent este repetat în orice şcoală şi liceu: pe un plan orizontal era plasat un corp legat de un fir trecut peste scripetele fixat la un capăt al planului. De celălalt capăt al firului era suspendat un taler pe care erau plasate corpuri diferite. În urma unor serii de experimente, Amontons a stabilit două rezultate importante: forţa de greutate a talerului şi a corpurilor de pe el, la care corpul de pe planul orizontal începe să se mişte, nu depinde de aria suprafeţei de contact dintre corp şi plan, ci numai de valoarea forţei de greutate G a acestui corp, fiind proporţională cu ea.

Dar forţa de greutate a talerului cu corpurile pe el, la care corpul de pe planul orizontal începe să se mişte, este, în termeni moderni, valoarea maximă a forţei de frecare statică (de repaus) F max . Astfel, s-a stabilit că F max = µsG , unde µs este un coeficient adimensional, numit coeficient de frecare statică. Planul fiind orizontal, forţa de greutate G este forţă de apăsare a corpului asupra planului, egală în modul cu reacţiunea normală n a acestuia (G = n). Valoarea maximă a forţei de frecare statică are expresia F max = µsn, expresie cunoscută sub denumirea de legea lui Amontons.

Unul din predecesorii lui Amontons, care, de asemenea, a cer-cetat frecarea, este Leonardo da Vinci (1452–1519). Rezultatele sale au devenit cunoscute abia la finele secolului al XVIII-lea – începu-tul secolului al XIX-lea, adică la aproape un secol după lucrările lui Amontons. După Leonardo da Vinci, coeficientul de frecare statică are valoa rea µs = 0,25 pentru toate corpurile, ceea ce nu corespunde realităţii.

Dacă Amontons s-a limitat la cercetarea frecării statice, Coulomb a studiat mai ales frecarea la alunecare şi la rostogolire, stabilind că forţa de frecare la alunecare depinde slab de viteza relativă a corpurilor; ea are o valoare ceva mai mică decât valoarea maximă a forţei de frecare statică, însă deosebirea dintre ele este mică şi acestea se consideră aproximativ egale. S-a constatat că la alunecare coeficientul de frecare depinde de natura corpurilor aflate în contact şi de calitatea prelucrării

suprafeţelor lor. Toate aceste rezultate referitoare la frecarea dintre corpurile solide sunt cunoscute ca legile Amontons–Coulomb.

Coulomb a admis că frecarea dintre corpurile solide se datorează faptului că suprafeţele de contact au asperităţi care se agaţă unele de altele la alunecarea corpurilor. Astfel a fost elaborat un tablou mecanic mai precis al frecării. Coulomb a revenit la problema frecării în anul 1790, când a studiat mai ales frecarea la rostogolire. El a stabilit atunci că forţa de frecare la rostogolire este considerabil mai mică decât cea la alunecare, iar valoarea ei este direct proporţională cu reacţiunea normală n şi invers proporţională cu raza r a corpului ce se rostogoleşte: Fr = λn/r, unde λ este un coeficient de proporţionalitate ce se exprimă în unităţi de lungime.

Rezultatele ştiinţifice ale lui Coulomb au jucat un rol decisiv pentru alegerea sa în calitate de membru al Academiei din Paris la 12 decembrie 1781, pentru domeniul mecanicii. Înainte de această alegere el s-a transferat cu serviciul de inginer militar la Paris. Ca membru al Academiei avea obligaţiunea de a participa anual, pe parcursul a cel puţin cinci luni, la activităţile curente ale ei. Era solicitat în calitate de consultant la ridicarea edificiilor militare, dar putea avea şi alte misiuni; de exemplu, era responsabil de alimentarea cu apă a palatelor regale, de funcţionarea havuzurilor din parcuri ş.a.

În anul 1780, astronomul Jacques Dominique Cassini (1748–1845) de la Observatorul din Paris a încercat să folosească busola magnetică a lui Coulomb şi a constatat anumite neajunsuri. Poziţia acului magnetic era influenţată de vibraţiile punctului de suspensie al firului ce susţinea acul, de curenţii de aer din încăpere. De asemenea, în momentul în care cercetătorul se apleca spre busolă pentru a citi indicaţia din faţa vârfului acului magnetic, acesta devia de la poziţia sa. Iniţial s-a crezut că devierea dată era condiţionată de curenţii de aer provocaţi de mişcările cercetătorului. Instalaţia a fost introdusă într-o cutie cu pereţi transparenţi, dar acul magnetic continua să fie influenţat de mişcările cercetătorului.

Coulomb a stabilit cauza acestei comportări a acului magnetic. Corpul cercetătorului conţine o anumită cantitate de electricitate statică. La apropierea lui de acul suspendat de un fir izolator de mătase, acesta se electriza prin influenţă. Ca rezultat, el era atras spre cercetător, deviind de la poziţia în care se afla atunci când cercetătorul era departe de busolă.

fs

fs

fs

30 31

Pentru a înlătura electrizarea prin influenţă a acului, firul izolator de mătase trebuia înlocuit cu un fir metalic, conducător de electricitate. Astfel, a apărut necesitatea studierii deformaţiei de torsiune (de răsucire) a firelor metalice. În acest scop, Coulomb a folosit o metodă originală şi eficace – metoda oscilaţiilor de torsiune. Un fir metalic cilindric verti-cal avea capătul superior imobil, iar la cel inferior avea fixat un corp cilindric. A admis că la unghiuri de răsucire mici momentul forţelor elastice din fir M este direct proporţional cu unghiul de răsucire . Prin urmare, oscilaţiile mici de torsiune sunt armonice, ceea ce s-a confir-mat experimental. A cercetat oscilaţiile de torsiune ale unuia şi aceluiaşi corp suspendat de fire din acelaşi metal şi de acelaşi diametru D , dar de lungimi L diferite. Într-o altă serie de experimente a menţinut lungimea L aceeaşi, dar lua fire metalice de diametre D diferite.

Coulomb a calculat teoretic perioada oscilaţiilor de torsiune. În baza formulei respective şi a datelor experimentale pentru perioada oscilaţiilor, a stabilit că momentul forţelor elastice este direct proporţional cu puterea a patra a diametrului firului şi invers proporţională cu lungimea lui , unde B este un coeficient de proporţionalitate ce caracterizează metalul din care este confecţionat firul.

Menţionăm înalta precizie a măsurătorilor efectuate de către Coulomb. De exemplu, pentru fier el a obţinut valoarea

2107,6 10 N mB = ⋅ , cea modernă fiind 10 2(7,5 0,8) 10 N mB = ÷ ⋅ .În baza cercetărilor efectuate cu privire la deformaţiile de torsiune

ale firelor metalice, Coulomb a elaborat proiectul balanţei de torsiune, un dispozitiv extrem de sensibil destinat măsurării forţelor foarte mici – a forţelor electrice şi magnetice. Cercetarea oscilaţiilor de torsiune ale cilindrului introdus în lichid permite măsurarea forţelor de frecare interioară. Rezultatele acestor investigaţii au fost expuse în lucrarea sa din anul 1784, intitulată „Cercetări teoretice şi experimentale ale forţei de torsiune şi ale elasticităţii firelor metalice”.

Primul său memoriu din anul următor (1785) este intitulat „Construirea şi aplicarea balanţei electrice care utilizează proprietatea firelor metalice de a exercita o forţă de torsiune proporţională cu unghiul de torsiune”. Schema balanţei şi a unor detalii ale ei este prezentată în Figura 11. Partea principală a balanţei era un fir subţire de argint cu diametrul de 40 μm şi lungimea de 75,8 cm. Firul se afla în interiorul a doi cilindri: l şi ABCD (Fig. 11, a). Capătul superior al firului era fixat în montura q (Fig. 11, b) unită cu capul rotativ b, dotat cu acul

indicator a. La capătul superior al tubului l era fixat tubul D pe care era trasată scara gradată ab. La capătul inferior al firului era fixată o tijă subţire orizontală izolatoare aCg cu lungimea de 21,7 cm(Fig. 11, c). La un capăt al tijei se afla o bilă mică de soc a cu diametrul de la 4,5 mm până la 6 mm , iar la celălalt capăt – un disc de hârtie g, care echilibra bila de soc şi, în acelaşi timp, amortiza oscilaţiile torsionale. Cilindrul ABCD cu înălţimea şi diametrul egale cu câte 32,5 cm (Fig. 11, a) avea, la nivelul bilei de soc, scara gradată zQ. Prin orificiul m era introdusă o vergea izolatoare Ф, ce avea, la capătul său inferior, bila de soc t, de diametru egal cu cel al bilei a de la capătul tijei orizontale.

Balanţa permitea determinarea forţelor cu o precizie foarte mare. Coulomb a remarcat că pentru a menţine firul răsucit cu 360o trebuie aplicată la capătul tijei, perpendicular pe ea, o forţă orizontală de circa 1,5 · 10-6 N. Dacă se admite că eroarea determinării unghiului de torsiune este de 3o, eroarea respectivă la determinarea forţei este de circa 1,3 · 10-8 N!

În acelaşi memoriu, Coulomb a expus rezultatele cercetărilor forţei de interacţiune dintre sarcinile electrice de acelaşi semn. Capul rotativ b era situat în poziţia în care bilele neîncărcate a şi t abia se atingeau una de alta. Bila a se afla în dreptul indicaţiei 0 de pe scara gradată zQ, iar acul indicator a – în dreptul indicaţiei 0 de pe scara gradată ab. Unghiul de torsiune al firului de argint, în această situaţie, este egal cu zero.

O a treia bilă fixată la capătul unui mâner izolator (Fig. 11, d) era electrizată şi introdusă prin orificiul m astfel ca să se atingă simultan cu bilele a şi t. Acestea se încărcau cu sarcini electrice de acelaşi semn şi se respingeau. Rotind capul b, se varia distanţa dintre bilele electrizate, distanţe ce se evaluau după indicaţiile de pe scara zQ. Unghiul de torsi-une al firului, deci şi forţa de respingere electrică, se determinau folosind indicaţiile de pe ambele scări. Repetând experimentul pentru valori

Fig. 11

32 33

diferite ale distanţei dintre bilele electrizate, Coulomb a stabi lit că forţa de respingere electrică dintre bilele mici, încărcate cu sarcini electrice de aceeaşi natură (de acelaşi semn), este in-vers pro porţională cu pătratul distanţei dintre centrele lor.

În al doilea memoriu, din acelaşi an, Coulomb a indicat dificultăţile care se întâlneau atunci când instalaţia descrisă mai sus se utiliza la cercetarea

forţelor de atracţie electrică – nu se putea evita atingerea bilelor electrizate cu sarcini de semne opuse, de aceea a folosit instalaţia reprezentată în Figura 12. Un ac izolator lcg , suspendat la mijloc de un fir subţire de mătase cs , avea la capătul l un disc mic din hârtie aurită, iar la capătul opus – o contragreutate. Discul se afla la nivelul centrului unei sfere G din cupru, distanţa dintre centrul sferei şi disc putând fi modificată.

Discul şi sfera erau electrizate cu sarcini de semne opuse. Coulomb cerceta oscilaţiile de torsiune ale acului orizontal. În acest timp, dis-cul oscila în câmpul electric al sferei. Considerând că sarcina electrică a sferei este concentrată în centrul ei şi ţinând seama că dimensiunile discului erau mult mai mici decât distanţa sa de la centrul sferei, Cou-lomb admitea că forţa electrică de atracţie ce acţionează asupra discului rămâne constantă la oscilaţiile mici ale acestuia. Astfel, oscilaţiile mici ale acului orizontal erau similare oscilaţiilor unui pendul gravitaţional. La modificarea distanţei dintre disc şi centrul sferei, forţa de atracţie varia. Determinându-se perioadele de oscilaţii torsionale ale acului orizontal în funcţie de distanţa dintre disc şi centrul sferei electrizate, se puteau trage concluzii referitoare la valoarea forţei de atracţie dintre sarcinile electrice de semne opuse. S-a constatat că această forţă variază invers proporţional cu pătratul distanţei dintre ele.

Coulomb a folosit metoda oscilaţiilor şi la cercetarea forţei de respingere dintre sarcinile electrice de acelaşi semn, menţionând însă avantajele utilizării balanţei de torsiune (Fig. 11).

Astfel, Coulomb a stabilit că forţa de interacţiune dintre două

corpuri mici electrizate (cu sarcini de acelaşi semn sau de semne opuse) este invers proporţională cu pătratul distanţei dintre ele.

Coulomb considera evident faptul că forţa interacţiunii electrice este direct proporţională cu produsul „maselor electrice” (adică a sarcinilor electrice). În unul din memoriile ulterioare era expusă „metoda divizării sarcinii”, care permitea stabilirea dependenţei forţei electrice de valorile sarcinilor care interacţionează. Atingând una din bilele electrizate ( a sau t, Fig. 11, a) cu una identică neelectrizată, sarcina celei electrizate se diviza în două sarcini egale. Cercetând din nou interacţiunea bilelor a şi t, el a constatat că forţa de interacţiune s-a micşorat tot de două ori.

În urma acestor cercetări a fost stabilită legea interacţiunii corpurilor mici electrizate, lege ce a fost numită în onoarea des-coperitorului ei legea lui Coulomb. În notaţii moderne ea are forma

21 2eF k q q R= , unde 1q şi 2q sunt valorile sarcinilor punctiforme

ce interacţionează, R – distanţa dintre sarcini, ek – un coeficient de proporţionalitate şi F – valoarea forţei de interacţiune electrică.

În legătură cu stabilirea legii interacţiunii sarcinilor electrice punctiforme trebuie menţionat şi rolul pe care l-a jucat legea atracţiei universale descoperită de către Newton, deoarece se considera apriori că aceste două legi trebuie să fie similare. Pentru a demonstra aceasta, era folosit un rezultat stabilit chiar de către Newton, care reieşea din legea atracţiei universale (astăzi, acest rezultat este cunoscut de orice elev pasionat de Fizică şi care a rezolvat problema mişcării unui corp lăsat să cadă liber într-un canal care penetrează planeta, până în partea cealaltă, prin centrul său). Anume rezultatul spune că bila introdusă în cavitatea sferică din interiorul unei sfere, concentrice cu cavitatea, nu este atrasă spre pereţii cavităţii.

În anul 1755, Benjamin Franklin (1706–1790) a constatat că bila de plută suspendată de un fir izolator nu este atrasă de pereţii vasului electrizat în care este introdusă şi nu se electrizează la atingerea cu aceştia. Franklin nu a putut explica această observaţie. El i-a propus tânărului naturalist Joseph Pristley (1733–1804) să efectueze cercetările respective, să găsească şi să formuleze explicaţia adecvată. În 1767 acesta a publicat rezultatele experimentelor efectuate şi a tras concluzia că ele pot fi explicate numai dacă se admite că interacţiunea electrică se supune unei legi similare cu cea pentru atracţia universală. Rezultatul nu a atras însă atenţia savanţilor.

Fig. 12

34 35

În anul 1773, Henry Ca-vendish (1731–1816) a realizat un experiment de acelaşi gen (Fig. 13). Un glob fixat pe o tijă de sticlă era introdus în interi-orul unei sfere metalice formată din două semisfere. Electrici-tatea nu putea trece direct de pe glob pe sferă sau invers, dar sfera putea fi legată cu globul printr-un fir metalic. Semis-ferele erau închise (cuplate),

sfera astfel obţinută era electrizată, apoi firul conductor, ce o lega cu globul, era îndepărtat, după ce semisferele erau separate. Pentru a cerceta starea electrică a globului, Cavendish a luat două biluţe de plută suspendate de fire de in. Capetele libere ale firelor erau ţinute împreună, iar biluţele erau atinse de glob. Nu s-a înregistrat niciun caz în care după separarea de glob biluţele să se respingă, ceea ce a demonstrat că ele nu s-au electrizat, deci globul nu a fost electrizat. În baza acestui experiment, Cavendish a conchis că forţele de interacţiune electrică a corpurilor mici electrizate sunt invers proporţionale cu pătratul distanţei dintre ele. Acest rezultat a fost publicat foarte târziu, în anul 1879 (la o sută de ani după lucrările lui Coulomb), într-o culegere de lucrări de electricitate ale lui Cavendish, culegere alcătuită de cătreJ. C. Maxwell, care a descoperit manuscrisele predecesorului său în arhivele laboratorului. Aceste lucrări nu au mai putut influenţa însă în niciun mod dezvoltarea cunoaşterii în domeniul fenomenelor electrice.

Cele expuse mai sus justifică cât se poate de convingător faptul că (şi de ce) legea interacţiunii sarcinilor electrice poartă numele lui Coulomb.

Balanţa de torsiune proiectată şi realizată de el a fost utilizată şi în alte lucrări experimentale. Încă de la primele sale experimente, Coulomb a constatat că sarcina electrică a bilei încărcate a balanţei se micşorează cu timpul. În cel de-al treilea memoriu, elaborat în acelaşi an 1785, Coulomb a stabilit că sarcina electrică a corpului încărcat scade în timp după o lege exponenţială. El a evidenţiat două cauze ale acestui fenomen: ciocnirile cu particule din aer care preiau o porţiune din sarcina corpului încărcat şi faptul că izolatoarele nu sunt ideale.

Pentru a investiga distribuţia de sarcină electrică pe suprafaţa con-ductoarelor, Coulomb s-a folosit de aşa-numita „plăcuţă de probă” – un mic disc metalic, sau din hârtie argintată, fixat la capătul unui mâner izolator. El atingea discul neîncărcat cu porţiuni diferite ale suprafeţei conductorului, apoi, folosind balanţa de torsiune, evalua sarcina preluată de disc. A stabilit în cele din urmă că distribuţia sarcinii elec-trice pe suprafaţa conductorului depinde de forma acestuia şi nu de na-tura metalului.

Un memoriu special (din anul 1789) a fost consacrat studierii magnetismului. Instalaţia respectivă este prezentată în Figura 14. Coulomb era conştient de faptul că, în acest caz, măsurătorile sunt mult mai dificile decât în cazul sarcinilor electrice. Pe de o parte, trebuia să se ţină seama de acţiunea câmpului magnetic terestru şi, pe de altă parte, nu erau cunoscute precis poziţiile polilor magnetici. De exemplu, el admitea că în cazul unui magnet cu lungimea de 68 cm, aceştia se află la distanţe cuprinse între 5,4 cm şi 8,1 cm faţă de capetele lui. Adoptând această presupunere, Coulomb a stabilit că forţele de acţiune magnetică, ca şi cele electrostatice, sunt invers proporţionale cu pătratul distanţei dintre poli.

Coulomb a cugetat mult asupra naturii electricităţii şi a magnetismului. El era adeptul teoriei celor două lichide electrice care pot „curge” în interiorul conductoarelor, dar nu pot „curge” şi în izolatoare. De asemenea, el admitea existenţa a două lichide magnetice care sunt conţinute în fiecare „corpuscul de substanţă”, astfel încât la secţionarea magnetului în două părţi, nu se obţin fragmente încărcate numai cu un singur fel de magnetism. Concepţiile lui Coulomb se aflau în concordanţă cu ideea despre existenţa în corpuri a unor lichide imponderabile, purtătoare ale anumitor proprietăţi fizice. De exemplu, în acei ani, pentru a explica schimbul de căldură dintre corpuri, se considera că ele conţin în interiorul lor o anumită cantitate dintr-un lichid imponderabil, numit „caloric” (sau „flogistron”), care, la punerea în contact a două corpuri cu temperaturi diferite, trece din corpul mai cald (care conţine mai mult „caloric”) în cel mai rece, până la egalarea temperaturilor.

Fig. 13

Fig. 14

36 37

Cercetările din secolul al XIX-lea au demonstrat că aceste concepţii nu corespundeau realităţii. Ele au ieşit din uzul ştiinţific şi au rămas doar în istoria fizicii drept nişte paşi greşiţi pe calea anevoioasă spre adevăr.

Încă în memoriul său din anul 1784, în care era stabilită legea deformaţiilor de torsiune, Coulomb a indicat posibilitatea folosirii oscilaţiilor torsionale pentru studierea forţelor de frecare interioară. El a publicat rezultatele respectivelor cercetări în anul 1800. La capătul inferior al unui fir elastic era fixat un cilindru. Acesta era introdus într-un lichid. Astfel erau studiate oscilaţiile de torsiune ale cilindrului (pendul de torsiune). Modificându-se lungimea şi diametrul firului de suspensie, se modifica în mod corespunzător şi perioada oscilaţiilor, deci şi viteza unghiulară a cilindrului.

În urma numeroaselor experimente de acest fel şi a prelucrării da-telor obținute, au fost stabilite două rezultate importante: 1) perioada oscilaţiilor nu este influenţată de calitatea prelucrării suprafeţei cilin-drului introdus în lichid, ceea ce demonstrează că la suprafaţa aces-tuia aderă un strat de lichid care se mişcă împreună cu cilindrul, iar oscilaţiile lui sunt influenţate doar de forţele de frecare dintre stratu-rile de lichid; 2) forţele de frecare internă sunt proporţionale cu viteza relativă – la valori mici ale acesteia şi sunt proporţionale cu pătratul vitezei – la valori mari ale ei, punându-se capăt disputei (din perioada anterioară acestui memoriu al lui Coulomb) privind dependenţa de viteză a forţei de frecare internă, când unii savanţi afirmau că forţa în cauză este direct proporţională cu viteza relativă, iar alţii – cu pătratul vitezei. S-au stabilit astfel, în mod convingător, pe cale experimentală, condiţiile de aplicabilitate ale acestor relaţii: de proporţionalitate cu υ sau cu υ2 a forţei de frecare internă.

Conchidem, în mod natural, că Charles Coulomb a realizat multiple şi subtile cercetări ştiinţifice efectuând cu multă minuţiozitate experienţele imaginate şi proiectate, cele mai multe cu balanţa de torsiune, combinate, în unele cazuri, cu metoda oscilaţiilor torsionale.

Ultimul memoriu al lui Coulomb din domeniul electricităţii şi magnetismului a fost depus la Academie în anul 1789 – anul Revoluţiei Franceze, care a schimbat în întregime viaţa societăţii. Coulomb s-a retras din serviciul militar şi şi-a concentrat activitatea în cadrul Acade miei, unde era membru al comisiei ce trebuia să elaboreze un nou sistem de măsuri şi greutăţi. Însă în anul 1793 Academia a fost închisă. Pentru a supravieţui perioadei de acută instabilitate politică,

Coulomb a plecat din Paris la moşia sa. Dar şi aici, mereu frământat, a efectuat importante cercetări ştiinţifice, realizând două lucrări memo-rabile: una dintre ele era consacrată biomecanicii omului, iar a doua – circulaţiei sevei în copaci.

Numai simpla enumerare a problemelor care s-au aflat în atenţia lui Coulomb ilustrează polivalenţa preocupărilor sale, precum şi ri-goarea metodelor utilizate în cercetarea ştiinţifică întreprinsă. Tema-tica problemelor alese de el pentru a fi investigate era întotdeauna în strânsă legătură cu activitatea practică. În calitate de ofiţer de geniu s-a ocupat iniţial de rezistenţa materialelor, de legile frecării şi de princi-piile de funcţionare a unor maşini simple. Apoi, pentru investigarea interacţiunilor electrice şi magnetice, şi-a proiectat şi construit singur instalaţiile respective, al căror rafinament este şi astăzi uimitor.

În anul 1795 a fost fondat Institutul Franţei, care a înlocuit Academia existentă până în 1793. Coulomb a fost numit membru al unei noi comisii de măsuri şi greutăţi, unde trebuia să se ocupe de elaborarea unităţilor pentru lungime şi masă. A revenit la Paris.

De asemenea, Coulomb a fost inclus şi într-o comisie de oameni de ştiinţă care avea ca sarcină elaborarea unui nou sistem de învăţământ în Franţa. Sistemul prevedea fondarea unei reţele de licee ca instituţii de învăţământ de stat privilegiate care, în viziunea lui Napoleon, constituiau baza sistemului naţional de învăţământ. Membrii comisiei verificau toate aspectele activităţii acestui sistem: vizitau liceele, asistau la orele de clasă şi la examene, evaluau calificarea cadrelor didactice, dotarea unităţilor şcolare, controlau curăţenia în sălile de clasă şi în bucătării etc. Coulomb şi-a luat foarte în serios misiunea, a călătorit prin diferite oraşe ale Franţei, a depus eforturi mari. În vara anului 1806 s-a îmbolnăvit şi, la 23 august, în acelaşi an, s-a stins din viaţă.

Meritele ştiinţifice ale lui Coulomb au fost apreciate pertinent de către posteritate. Legea interacţiunii sarcinilor electrice punctiforme poartă numele de legea lui Coulomb, legile frecării dintre corpu-rile solide sunt numite legile lui Amontons–Coulomb, în fizică s-au înrădăcinat noțiunile interacţiune coulombiană, câmp coulombian, forţe coulombiene, potenţial coulombian. În anul 1881, la Congresul mondial al electricienilor de la Paris s-a decis în mod unanim să se acorde numele de „coulomb” unităţii de sarcină electrică. Astfel, Cou-lomb face parte din pleiada de fizicieni ale căror nume îl poartă atât legi, cât şi unităţi ale mărimilor fizice.

38 39

andré Marie ampère(1775–1836)

Renumitul savant francez André Marie Ampère s-a născut la 22 ianuarie 1775 în oraşul Lyon. Tatăl său, Jean Jacques, era un negustor bogat. Curând familia s-a mutat la Polemiéux – o mică localitate din apropiere de Lyon. În localitate nu era niciun învăţător şi André a fost nevoit să înveţe de unul singur sau, cum s-ar spune

azi, să fie, în bună măsură, autodidact. A învăţat să numere şi să efectueze operaţiile aritmetice folosind pietricele sau alte obiecte mici. A învăţat să citească la o vârstă destul de fragedă şi a cunoscut repede bucuria lecturii. Citea cu nesaţ toate cărţile pe care le avea la dispoziţie sau le putea procura, îndeosebi opere literare sau cărţi de istorie.

Avea o pasiune deosebită pentru matematică, studiind-o după lucrările lui Euclid, Bernoulli, Descartes şi Euler. Pentru a le putea citi în original, a învăţat limba latină, în care acestea erau scrise. La 12 ani Ampère cunoştea deja destule lucruri din calculul diferenţial al lui Newton şi Leibnitz, iar la 13 ani a fost capabil să prezinte Academiei din Lyon un memoriu de matematică. La vârsta de 13–14 ani citise deja toate cele 20 de volume ale renumitei Enciclopedii Franceze, elaborate sub redacţia lui Denis Diderot (1713–1784) şi Jean Le Rond D`Alembert (1717–1783). Ampère avea o memorie fenomenală şi la mai mulţi ani după aceasta reproducea din Enciclopedie, fără greşeli, pasaje lungi cu tematică diversă. Citea în original literatură antică şi din epoca Renaşterii.

Astfel, Ampère a fost un autodidact absolut: nu a frecventat nicio şcoală, nu a răspuns la întrebări, nu a susţinut examene, nu a obţinut note, nu a primit niciun certificat sau diplomă ce să-i ateste studiile.

Ampère avea probleme cu vederea – era miop – şi nu conştientiza acest fapt, crezând că lumea este aşa cum o vede el. În timpul unei călătorii a fost observat de un vecin cu ochelari în momentul în care el citea. Vecinul şi-a scos ochelarii şi i-a pus lui Ampère, care a rămas fascinat descoperind o nouă imagine a lumii, mult mai frumoasă şi diversă decât cea văzută până atunci (ca prin ceaţă). După această întâmplare, el nu s-a mai despărţit niciodată de ochelari.

În timpul Revoluţiei Franceze, la Lyon, tatăl lui André Marie a fost implicat într-o revoltă, care a fost repede înăbuşită, urmând represaliile. A fost condamnat la moarte şi la 23 noiembrie 1793 a fost ghilotinat. André avea doar 18 ani! Pierzându-şi tatăl într-un mod atât de tragic, a intrat într-o îngrijorătoare stare depresivă. Capacităţile mentale l-au părăsit, privea absent cerul sau pământul, făcea moviliţe de nisip, grămăjoare de frunze... Dovedind multă înţelegere, prietenii îl scoteau la plimbări în natură, cutreierând în grup împrejurimile Lyonului. După o perioadă de circa un an, André a început să revină treptat la normal. Momentele de singurătate i-au fost mai uşoare în prezenţa cărţilor, datorită lecturilor. Scrierile de botanică ale luiJean-Jacques Rousseau (1712–1778), precum şi odele lui Horaţiu (65–8 î.Hr.) i-au făcut multă plăcere.

La 20 de ani a început să activeze în calitate de profesor la domiciliu, susţinând, în particular, ore de matematică, fizică, chimie şi latină.

La 19 februarie 1802 a susţinut cu succes un concurs organizat de comisia de învăţământ şi a fost angajat la o şcoală din orăşelul Bourg-en-Bresse (departamentul Ain). Şi-a început activitatea cu reorganizarea cabinetelor de fizică şi chimie, a reparat personal unele aparate. În acelaşi an a publicat lucrarea „Consideraţii asupra teoriei matematice a jocurilor”, iar un an mai târziu – „Despre integrarea ecuaţiilor diferenţiale ce apar în unele probleme rezolvate prin metoda variaţională”. Din aprilie 1803 a început să predea la un liceu nou, deschis la Lyon.

Lucrările din domeniul matematicii ale lui Ampère au fost mult apreciate de către unii matematicieni membri ai Academiei din Paris, printre care şi Pierre Simone de Laplace (1749–1827). Drept urmare, în octombrie 1804, Ampère a fost numit în postul de repetitor la matematică al Şcolii Politehnice din Paris, la care, în anul 1809, a devenit profesor.

André îmbina reuşit activitatea didactică cu cea ştiinţifică. El considera că matematica este unul dintre instrumentele necesare pentru a efectua investigaţii ştiinţifice asupra fenomenelor naturii şi, de aceea, aborda doar probleme matematice care apăreau în legătură cu studierea unor situaţii concrete, îndeosebi din fizică şi mecanică. A cercetat ecuaţiile cu derivate parţiale şi le-a aplicat la rezolvarea unor probleme de analiză matematică şi de geometrie. În baza rezultatelor obţinute, Ampère a fost ales la 28 noiembrie 1814, din primul tur de

40 41

scrutin, Membru al Academiei Franceze, la Secţia geometrie. Avea doar 39 de ani.

Paralel, el a efectuat diverse cercetări şi în domeniul fizicii. Era un adept convins al atomismului. Pentru el moleculele erau o realitate, imaginându-le într-o mişcare permanentă în interiorul substanţelor. Considerând că mişcarea moleculelor gazului este haotică, a demonstrat relaţia dintre volumul şi presiunea exercitată de gazul aflat la una şi aceeaşi temperatură (adică în transformările izoterme), relaţie descoperită anterior pe cale experimentală de către Edme Mariotte (1620–1684) şi, independent, de către englezul Robert Boyle (1627–1691). În domeniul opticii, Ampère a demonstrat o teoremă originală din care pot fi deduse legile refracţiei normale şi anomale ale luminii.

În august 1820, la Geneva, a avut loc Congresul Naturaliştilor şi al Medicilor, la care a participat şi fizicianul francez François Dominique Jean Arago (1786–1853). La una din şedinţele congresului a fost prezentată experienţa realizată în luna aprilie a aceluiaşi an de către savantul danez hans Christian oersted (1777–1851), experienţă prin care a fost descoperită şi pusă în evidenţă influenţa curentului electric asupra acului magnetic situat în vecinătatea sa. Întors la Paris, Arago a descris această experienţă în şedinţa din 4 septembrie a Academiei Franceze, iar la şedinţa următoare, din 11 septembrie, a prezentat-o în faţa auditoriului.

Ampère a asistat la ambele şedinţe şi a fost într-atât de impre-sionat de cele vizionate, încât a abandonat toate preocupările sale şi s-a concentrat asupra fenomenului observat. Primele rezultate obţinute le-a comunicat la şedinţele următoare ale Academiei – din 18 şi 25 septembrie. El a introdus în circulație pentru prima dată sintagma de curent electric în locul celei de curent galvanic sau de curent voltaic, utilizate anterior. A definit sensul curentului electric ca sensul în care se deplasează sarcinile electrice pozitive. Definiţia a fost formulată în termenii ce se utilizează la descrierea fenomenului de descompunere a apei sub influenţa coloanei Volta. Ampère a admis că sensul curen-tului în interiorul acestei coloane este sensul deplasării de la capătul la care se degajă hidrogen spre capătul la care se degajă oxigen, iar sen-sul curentului în conductorul ce uneşte capetele coloanei Volta este sensul deplasării de la capătul la care se degajă oxigen spre cel la care se degajă hidrogen.

Ampère a demonstrat că în experienţa lui Oersted curentul electric este cel ce influenţează acul magnetic. În acest scop a plasat o coloană Volta în poziţie orizontală, în planul meridianului magnetic, şi a situat în vecinătatea acesteia un ac magnetic. Atâta timp cât capetele coloanei nu erau unite cu un fir conductor, acul magnetic ocupa poziţia sa normală, dar unirea capetelor ei cu firul conductor era urmată de abaterea acului de la planul meridianului magnetic. Această abatere se păstra atât timp cât se menţinea unirea, dacă şi acţiunea coloanei rămânea neschimbată. Deoarece sarcinile electrice aflate în repaus nu acţionează asupra acului magnetic, rezultă că el este acţionat doar de sarcinile electrice care se mişcă.

La şedinţa din 25 septembrie Ampère a prezentat auditoriului instalaţia experimentală (Fig. 15) ce permitea studierea interacţiunii conductoarelor paralele care sunt parcurse de curenţi electrici. Ambele conductoare sunt situate orizontal. Conductorul AB este fix, iar conductorul CD – mobil, având capetele superioare introduse în cupele cu mercur E şi F, astfel fiind menţinut contactul electric la rotirea conductorului CD în jurul axei orizontale EF. Contragreutatea G permitea rotirea conductorului mobil sub acţiunea unor mici forţe. În urma experimentelor, Ampère a stabilit existenţa interacţiunii dintre conductoare, precum şi caracterul acesteia: atracţie în cazul curenţilor de acelaşi sens şi respingere în cazul curenţilor de sensuri opuse.

Comparând interacţiunile dintre curenţii electrici cu cele dintre sarcinile electrice aflate în repaus, Ampère a concluzionat că sarcinile de acelaşi semn se resping, dar curenţii de acelaşi sens se atrag, sarcinile de semne opuse se atrag, dar curenţii de sensuri opuse se resping. Dacă în urma atracţiei două conductoare parcurse de curenţi electrici de acelaşi sens se ating, ele rămân împreună, însă dacă în urma atracţiei două corpuri încărcate cu sarcini electrice de semne opuse se ating, după aceasta ele se resping.

Fig. 15

42 43

În timp ce Ampère comunica aceste rezultate la şedinţa Academiei, unii participanţi la discuţie minimalizau importanţa lor, considerându-le concluzii evidente ale experienţei lui Oersted. Argumentul lor era următorul: fiecare conductor parcurs de curent acţionează asupra acului magnetic, deci conductoarele trebuie să interacţioneze, adică interacţiunea trebuie să posede proprietatea de tranzitivitate. Ampère nu a găsit imediat argumentul care ar fi putut respinge această obiecţie. Din situaţia confuză el a fost scos de către Arago, care a luat două chei din fier, le-a apropiat pe rând de un ac magnetic şi a demonstrat acţiunea lor asupra acului, precum şi lipsa acţiunii unei chei asupra alteia. În final, Arago a menţionat că „Ampère a descoperit un fenomen esenţial nou, de o importanţă mai mare decât cel descoperit de mult stimatul profesor Oersted”.

Acţiunea curentului electric asupra acului magnetic a fost pusă de către Ampère la baza unui proiect de telegraf. Se propunea utilizarea la staţia de recepţie a unui număr egal de conductoare şi de ace magnetice, pe ultimele fiind plasate câte o literă din alfabet. Fiecare ac s-ar fi aflat în vecinătatea unui conductor. La staţia de transmisie se afla o coloană Volta şi o claviatură cu litere, iar prin apăsarea clapelor ei se realiza contactul electric cu conductoarele în vecinătatea cărora erau ácele magnetice cu literele respective de la staţia de recepţie. Acest telegraf permitea transmiterea simplă şi rapidă a mesajelor.

Într-o remarcă la lucrarea în care este descris telegraful, Ampère menţiona că, după elaborarea proiectului, Arago l-a informat despre un proiect similar de telegraf elaborat în anul 1809 de către S.-T. Söm-mering, care a propus observarea la staţia de recepţie a degajării hi-drogenului la descompunerea apei de către curentul electric. Proiectul lui Sömmering nu a mai fost realizat în practică, iar cel al lui Ampère a fost ulterior perfecţionat, îndeosebi prin reducerea numărului con-ductoarelor de legătură, şi apoi utilizat la transmiterea semnalelor.

Până la finele anului 1820 Ampère şi-a expus rezultatele cer-cetărilor la încă nouă şedinţe ale Academiei: din 2, 9, 16, 30 octombrie, 6 şi 13 noiembrie, 4, 11 şi 25 decembrie, precum şi la mai multe şedinţe în anii următori. De fiecare dată comunica rezultate noi sau preciza unele din rezultatele expuse anterior. În continuare le vom enumera pe cele mai importante.

Punând la bază definiţia dată de Oersted pentru sensul curentului electric, Ampère a propus o altă regulă, mai simplă, care permite să fie determinată poziţia în care se situează acul magnetic aflat în vecinătatea

conductorului cu curent. Regula în cauză este cunoscută sub numele de regula înotătorului sau regula lui Ampère: înotătorul care se deplasează în sensul curentului electric din conductor vede polul nord al acului magnetic aflat între el şi conductor abătut spre dreapta, iar al acului aflat de partea opusă a conductorului – spre stânga.

Ampère a cercetat experimental orien tarea cadrului (inelului) cu curent sub influenţa magnetismului terestru (Fig. 16). Cadrul care se putea roti în jurul unei axe verticale (capetele superioare erau introduse în cupe mici cu mercur pentru a menţine contactul elec-tric la rotirea lui) se orienta perpendicular pe planul meri dianului magnetic. Astfel, a tras concluzia că inelul cu curent este ana-log unui magnet scurt, aproape plan, el putând fi considerat ca o foiţă magnetică, de o parte a căreia se află un pol magnetic, iar de cealaltă – polul al doilea. Acest rezultat, formulat în termenii respectivi, poartă numele de teorema lui Ampère.

Pentru a amplifica acţiunea magnetică a curentului, a lăsat ca aces-ta să circule printr-un sistem de inele paralele – prin spirele conductoare ale unei bobine, numită de el solenoid. Împreună cu Arago a magnetizat ace de oţel introduse în interiorul lui. A stabilit că interacţiunea dintre bobinele cu curent este similară interacţiunii dintre barele magnetice şi că solenoidul cu curent ce se poate roti liber în jurul unei axe verticale (Fig. 17) se orientează sub influenţa magnetismului terestru aseme-nea unui ac magnetic. Astfel, a demonstrat că proprietăţile magnetice ale solenoidului sunt analogice celor ale magneţilor permanenţi.

Ampère a propus utilizarea abaterii acului magnetic sub acţiunea curentului electric pentru depistarea existenţei curen-tului, pentru compararea lor. El a numit dispozitivul respectiv galvanometru – în cinstea savantului italian Luigi Galvani (1737–1798).

Pentru a exclude acţiunea magne-tismului terestru asupra acului magnetic,

Fig. 16

Fig. 17

44 45

Ampère a inventat acul magnetic astatic – un sistem de două ace magnetice paralele fixate pe un ax comun, din cupru, cu polii magnetici de acelaşi nume orientați în sensuri opuse. Acţiunile magnetismului terestru asupra ácelor se compensează. Dacă însă ácele se află de părţi diferite ale conductorului cu curent – unul deasupra şi altul subel –, acţiunile magnetice se adună şi ácele se situează perpendicular pe conductor.

Pentru a explica proprietăţile magnetice ale corpurilor, Ampère a emis ipoteza existenţei în ele a unor curenţi circulari situaţi în plane perpendiculare pe direcţia ce uneşte polii magnetului. În ceea ce priveşte distribuţia lor în magnetul permanent au fost propuse două modalităţi: prima – curenţii circulari înconjoară magnetul, a doua – aceşti curenţi sunt repartizaţi în masa lui, circulând în jurul fiecărei particule din componenţa lui (ipoteza lui Ampère). Ampère înclina spre a doua modalitate, deoarece ea permitea explicarea magnetizării şi a demagnetizării corpurilor. În corpul nemagnetizat planele curenţilor sunt orientate haotic, iar în procesul magnetizării aceste plane se orientează, total sau parţial, perpendicular pe segmentul ce uneşte polii lui.

Trebuie să menţionăm că la formularea acestei ipoteze Ampère a manifestat o intuiţie formidabilă, deoarece a fost emisă cu circa 75 de ani înainte de descoperirea electronului şi cu ceva mai mult de 90 de ani înainte de stabilirea modelului planetar al atomului. Modelul planetar explică destul de simplu atât existenţa curenţilor circulari, cât şi faptul că ei nu sunt însoţiţi de degajarea unei cantităţi de căldură, ceea ce nu putea explica, la vremea lui, Ampère.

Magnetismul terestru a fost explicat de Ampère prin existenţa în globul pământesc a unor curenţi electrici care circulă de la est spre vest. Se considera că aceşti curenţi sunt de provenienţă termoelectrică datorită încălzirii neuniforme a globului.

O problemă deosebit de importantă pe care şi-a pus-o Ampère a fost cea a stabilirii expresiei analitice pentru forţa de interacţiune a două porţiuni foarte mici din conductoare prin care circulă curent electric. În acord cu concepţiile despre interacţiune existente la acel timp, el a admis, prin analogie cu interacţiunile dintre sarcinile electrice şi dintre magneţi, că forţa respectivă este orientată de-a lungul segmentului ce uneşte aceste porţiuni, depinde de orientările lor, iar valoarea ei este invers proporţională cu pătratul distanţei dintre ele.

Fig. 18

m

Ampère era conştient de faptul că problema pusă nu putea fi soluţionată în mod direct, deoarece porţiunile respective nu pot fi separate de conductoarele cu curent din care acestea fac parte. Din aceste considerente a cercetat interacţiunile dintre conductoare de forme diferite: rectilinii, triunghiuri, dreptunghiuri, cercuri ş.a., acestea ocupând diverse poziţii reciproce. În urma unei analize detaliate a datelor experimentale obţinute (aici i-au fost de mare folos profundele sale cunoştinţe de matematică!), în anul 1826, pentru forţa căutată, a reuşit să stabilească expresia (legea lui Ampère)

, (1)

unde 1I şi 2I sunt intensităţile curenţilor în porţiunile de conductor de lungimi egale cu 1dl şi respectiv 2dl , situate în acelaşi plan, r – distanţa dintre porţiuni, – unghiul dintre direcţiile lor, iar şi sunt unghiurile formate de direcţiile lor cu segmentul ce le uneşte (Fig. 18).

Utilizând formula (1), Ampère a reuşit să explice totalitatea datelor experimentale obţinute pentru forţele de interacţiune din-tre conductoarele cercetate. În cazul conduc-toarelor rectilinii şi paralele situate la distanţa r unul faţă de altul, forţa ce acţionează asupra unei porţiuni de lungime l a conductorului (forţa Ampère) este dată de expresia

1 2

mI IF k lr

= , (2)

unde 1I şi 2I sunt intensităţile curenţilor din ele, iar valoarea constantei este

7

2

N2 10A

k −= ⋅ .

Ampère acorda o atenţie deosebită utilizării unei terminologii fizice care să permită o descriere adecvată a fenomenelor studiate şi distingerea lor de alte clase de fenomene. În această ordine de idei, el a numit fenomenele în care se manifestă interacţiunea dintre conduc-toarele parcurse de curent electric fenomene electrodinamice, pentru

46 47

a le distinge de fenomenele în care participă magneţii permanenţi şi pentru care a propus să fie păstrat numele de electromagneti-ce. În acest sens, forţa exprimată de formula (2) a fost numită forţă electrodinamică. Lui Ampère îi datorăm şi o serie de alţi termeni: electrostatică, curent electric, galvanometru, solenoid, tensiune electrică.

În lucrările sale Ampère a demonstrat convingător că acţiunea magnetică este produsă de curentul electric, adică de sarcinile electrice în mişcare, fiind astfel excluse din fizică aşa-numitele fluide magnetice imponderabile, despre care anterior se credea că sunt purtătoare ale proprietăţilor magnetice ale substanţei.

Rezultatele acestor cercetări ample au fost sintetizate şi expuse în lucrarea sa fundamentală „Teoria fenomenelor electrodinamice dedusă exclusiv din experiment”, care a fost publicată în 1826. Lucrarea lui Ampère a fost înalt apreciată de către savanţi. Vom exemplifica prin cuvintele scrise mai târziu (cam după o jumătate de secol) de către cele-brul fizician englez James Clerk Maxwell (1831–1879), creatorul teoriei câmpului electromagnetic, în lucrarea sa „Tratat despre electricitate şi magnetism”(1873): „Metoda experimentală care i-a permis lui Am-père să stabilească legile interacţiunii mecanice a curenţilor electrici este unul dintre cele mai strălucite succese ale ştiinţei. Totul în ansamb-lu, și teoria, și experimentul, au izvorât parcă, în deplină maturitate și înzestrare, din mintea acestui «Newton al electricității». Forma ei este perfectă, precizia incontestabilă, totul se reduce la o formulă din care pot fi deduse toate fenomenele şi care trebuie să rămână drept formulă fundamentală a electrodi namicii”.

În anii următori Ampère a efectuat numeroase cercetări de ma-tematică şi mecanică.

A demonstrat teorema lui Taylor pentru funcţii de mai multe variabile independente şi a evaluat eroarea ce se comite când seria obţinută se întrerupe la un număr oarecare, finit, de termeni.

A elaborat un memoriu în care a propus o demonstraţie nouă a principiului vitezelor (deplasărilor) virtuale având la bază conceptele compunerii şi descompunerii forţelor aplicate într-un punct. A cercetat unele aspecte ale mişcării corpurilor sub acţiunea forţelor centrale, unele proprietăţi ale axelor de rotaţie ale corpurilor.

În acelaşi timp, Ampère urmărea cu atenţie stadiul cercetărilor din domeniul electromagnetismului. După ce a luat cunoştinţă de descoperirea de către Michael Faraday (1791–1867) a fenomenului

inducţiei electromagnetice, în august 1831, împreună cu Antoine César Becquerel (1788–1878), a făcut o comunicare despre aceasta la şedinţa din 23 ianuarie 1832 a Academiei. În acelaşi an (1832), inginerul francez Hippolyte Pixii a construit unul din primele generatoare magnetoelectrice în care un magnet permanent era rotit în vecinătatea a două bobine cu fire conductoare. În bobine se genera „curent de sens variabil” (alternativ). În anii respectivi putea fi utilizat doar „curentul de un singur sens”(continuu) care se obţinea de la coloanele Volta sau de la elementele galvanice. Ampère şi-a propus să inventeze un dispozitiv care să transforme curentul de sens variabil în curent de sens unic.A construit acest dispozitiv în anul 1832, fiind primul redresor de curent alternativ care în electrotehnică îi poartă numele.

La 21 ianuarie 1833, Ampère a reuşit să obţină curent electric prin variaţia temperaturii magnetului permanent introdus în interiorul unui solenoid, iar la 8 aprilie a prezentat comunicarea respectivă la Academie. Printr-o scrisoare l-a informat despre aceasta şi pe Faraday, cu care a corespondat mai mulţi ani.

Ampère a manifestat interes şi pentru cercetările din domeniul biologiei. S-a implicat în disputa dintre Georges Cuvier (1769–1832) şi Étienne Geoffroy Saint-Hilaire (1772–1844) în problema originii speciilor. Cuvier a elaborat teoria cataclismelor în care admitea că, pe pământ, acestea provoacă dispariţia unor grupe de animale şi apariţia altora; el era împotriva ideii de evoluţie în lumea vie. Saint-Hilaire considera că influenţa condiţiilor exterioare asupra dezvoltării organismelor este importantă îndeosebi în perioada prenatală şi imediat postnatală. Ampère era în relaţii bune cu familia Cuvier, dar în această dispută a adus argumente şi a fost de partea lui Saint-Hilaire, chiar dacă ultimul avea mai puţini susţinători. Dezvoltarea ulterioară a ştiinţei a confirmat că Ampère a avut o poziţie corectă.

O preocupare constantă a lui Ampère a fost realizarea unei clasificări a ştiinţelor. El considera că această clasificare trebuie să reflecte relaţiile reciproce dintre ştiinţe, legătura lor cu fenomenele ce au loc în natură şi în societate. O atare clasificare, considera Ampère, va înlesni studierea ştiinţelor, memorarea noţiunilor, ideilor şi a legităţilor generale. În clasificarea propusă de el a fost inclusă şi o ştiinţă, inexistentă la acel timp, despre legităţile generale ale proceselor de dirijare a sistemelor organizate, pe care a numit-o cibernetică. Ştiinţa respectivă a fost fondată cam cu un secol mai târziu, fiind numită după

48 49

cum a propus Ampère. Clasificarea ştiinţelor dată de el a fost expusă în lucrarea „eseu despre filosofia ştiinţelor sau expunerea analitică a clasificării naturale a tuturor cunoştinţelor omenirii” (vol. 1 – în 1834, vol.2 – publicat postum, în 1843).

Activitatea ştiinţifică a lui Ampère a fost apreciată în mod elo-gios de contemporanii săi, care l-au ales membru al unor organizaţii ştiinţifice importante: Societăţile Regale din Londra şi Edinburgh, Academiile Regale din Bruxelles şi Lisabona, Academiile din Berlin,SanktPetersburg, Lyon, Lille şi Modena, Societatea Filosofică din Cam-bridge, Societatea Naturaliştilor din Elveţia, Institutul din Bologna ş.a.

În cartea sa „Biografia fizicii” renumitul fizician George Gamov (1904–1968) scrie despre omul Ampère următoarele: „Marele savant Ampère, cu realizări ştiinţifice extraordinare, este un exemplu clasic de profesor distrat. Se spune că în timpul prelegerilor folosea adesea cârpa de şters tabla drept batistă; mai circula despre el şi o altă anecdotă, cum că odată, plimbându-se pe străzile Parisului, a luat din greşeală spatele unei trăsuri parcate la marginea trotuarului drept tablă de scris şi a început să înşire pe ea diferite calcule matematice. Când trăsura a pornit, a început să meargă şi el şi apoi să alerge chiar, hotărât să-şi termine demonstraţia. Odată, când împăratul Napoleon a vizitat Academia din Paris, Ampère nu l-a recunoscut şi, surprins, Napoleon i s-a adresat zâmbind: «Vezi, domnule, ce neplăcut e să nu-ţi vezi colegii prea des. Eu nu v-am văzut niciodată la Tuileries, dar am să ştiu cum să vă forţez să veniţi, în cele din urmă, să-mi spuneţi bună ziua!» Şi l-a invitat să cineze la palat în ziua următoare. Însă a doua zi, la cină, scaunul lui a rămas gol; Ampère uitase invitaţia!”

Ampère s-a stins din viaţă în dimineaţa zilei de 10 iunie 1836 la Marseille, unde a fost înmormântat. În anul 1869, rămăşiţele sale pământeşti au fost transferate la cimitirul Montmartre din Paris. În octombrie 1888, în oraşul său de baştină, Lyon, a fost înălţat un monument al savantului care a dus atât de departe faima oraşului, iar liceului la care a predat i-a fost conferit numele „Ampère”. În anul 1906, la Polémieux, pe fațada casei părinteşti a fost dezvelită o placă memorială. Ulterior, casa a fost transformată în Muzeu Naţional.

Numele lui Ampère este inclus în lista savanţilor ale căror nume îl poartă unităţi ale unor mărimi fizice. La Primul Congres Internaţional al Electricienilor (Paris, 1881) au fost adoptate unităţile unor mărimi electrice. Ca unităţi de bază au fost luate unităţile de tensiune electrică

– voltul (V) şi de rezistenţă electrică – ohmul (Ω), iar unitatea de intensitate a curentului – amperul (A) – a fost considerată unitate derivată ce se exprimă prin primele două în acord cu legea lui Ohm. La Conferinţa Internaţională din Chicago (1883), unităţile de rezistenţă electrică şi de intensitate a curentului – ohmul şi amperul – au fost considerate de bază, iar cea de tensiune electrică – voltul – unitate derivată.

În anul 1948, la cea de-a IX-a Conferinţă Generală de Măsuri şi Greutăţi a fost adoptată definiţia amperului în baza expresiei (2) pentru forţa Ampère: 1 amper (A) este intensitatea unui curent electric constant care, circulând prin două conductoare paralele, rectilinii, de lungime infinită şi secţiune transversală neglijabilă, plasate la distanţa de 1 m unul de altul, în vid, produce o forţă de 2 · 10-7 N pe fiecare metru de lungime. În anul 1960, la cea de-a XI-a Conferinţă Generală, a fost adoptat Sistemul Internaţional de Unităţi (SI), în care amperul a fost inclus ca unitate fundamentală, cu definiţia de mai sus. Numele savantului este întâlnit de asemenea şi în denumirile unor unităţi derivate, ca cea a densităţii curentului electric – amper pe metru pătrat ( 2A m ), momentul magnetic – amper metru pătrat ( 2A m⋅ ), unitatea extra-sistem de sarcină electrică – amper-oră ( A h⋅ ) ş.a.

Dispozitivul utilizat la măsurarea intensităţii curentului a fost numit ampermetru.

Numele lui Ampère îl întâlnim în mai mulţi termeni: ipoteza lui Ampère, forţa Ampère, teorema lui Ampère, formula lui Ampère, regula lui Ampère.

În acest mod omenirea a înveşnicit numele celui care prin des-coperirile sale a contribuit esenţial la dezvoltarea ştiinţei şi tehnicii, a civilizaţiei umane în general.

50 51

Hans Christian Oersted(1777–1851)

Renumitul savant danez Hans Christian Oersted s-a născut la 14 august 1777 în localitatea Rudkobing. Hans Christian a învăţat să citească, să scrie şi să socotească acasă, cu

ajutorul tatălui său, de profesie farmacist. Un student l-a învăţat latina, comisarul local – franceza şi engleza, brutarul – desenul, iar din cărţile tatălui a deprins primele elemente de fizică şi de chimie. Îşi ajuta tatăl în laboratorul de chimie al farmaciei, căpătând unele deprinderi practice.

După susţinerea examenului de bacalaureat, în anul 1794, a devenit student al Universităţii din Copenhaga. În anii studenţiei a scris un referat la estetică (1796) şi un articol de medicină (1797), lucrări ce au fost apreciate cu medalii ale Universităţii. A luat licenţa în farmacie (1797), iar în anul următor i s-a acordat titlul de doctor în filosofie. În anul 1799 a devenit asistent la Catedra de farmacie a Facultăţii de Medicină a Universităţii daneze din Copenhaga.

De o importanţă deosebită pentru cariera sa ulterioară a fost obţinerea unei burse pe o perioadă de trei ani (1801–1804). Bursa i-a permis să efectueze un stagiu de documentare ştiinţifică, în cadrul căruia a vizitat importante centre ştiinţifice din Germania, Franţa şi Olanda. Întorcându-se acasă, la Universitatea din Copenhaga, a predat chimia şi fizica, iar în anul 1806 a devenit profesor de fizică.

Oersted a îmbinat în mod armonios activitatea didactică cu cea ştiinţifică. O latură caracteristică a cercetărilor sale a fost căutarea cu asiduitate a unor legături între diferite fenomene ale naturii. De pildă, în anul 1807 a efectuat investigaţii în domeniul acusticii, încercând să depisteze diferite fenomene electrice care ar însoţi sunetul. În anul 1812, la Berlin, a publicat lucrarea „Cugetări asupra legilor chimice ale naturii, care rezultă din ultimele descoperiri”. El susţinea necesitatea efectuării unor experimente care ar permite să se afle dacă „electricitatea, în cea mai ascunsă formă a sa, nu produce vreo acţiune asupra magnetului” (prin formă ascunsă a electricităţii în acei ani se înţelegea curentul electric staţionar). Lucrarea nu a atras atenţia contemporanilor, căci, pe parcursul următorilor opt ani, nu au existat

niciun fel de încercări de a clarifica această chestiune. Existenţa unei legături virtuale dintre fenomenele electrice şi cele magnetice a fost subînţeleasă însă chiar de primii cercetători care au constatat existenţa unui paralelism între aceste două clase de fenomene: corpurile electrizate cu sarcini de acelaşi semn se resping, iar cele electrizate cu sarcini de semne opuse – se atrag, respectiv, polii magnetici de acelaşi nume se resping, iar cei de nume diferite – se atrag.

Alţi savanţi contestau existenţa unei astfel de legături între fenomenele în cauză. Ei puneau la baza convingerilor lor observaţiile făcute cândva de către William Gilbert (1504–1603) şi anume că magneţii există în condiţii naturale, în timp ce corpurile electrizate pot fi obţinute doar pe cale artificială, de exemplu, prin frecare. În afară de aceasta, magneţii atrag numai corpuri care conţin fier, chiar dacă ele sunt grele, pe când corpurile electrizate atrag orice corpuri uşoare. Aceste deosebiri dintre fenomenele magnetice şi cele electrice le serveau drept argumente pentru a nega existenţa vreunei legături între ele.

Începând cu secolul al XVII-lea s-au acumulat fapte care au putut fi explicate mult mai târziu: magnetizarea busolelor de pe navele maritime sub acţiunea fulgerelor; „furtunile magnetice” (comportarea stranie a ácelor magnetice) în timpul aurorelor boreale; magnetizarea ácelor de oţel prin descărcarea buteliilor de Leyda (a primelor condensatoare) realizată de către Benjamin Franklin (1706–1790) şi Giovanni Beccaria (1716–1781); la rândul său, Humphrey Davy (1778–1829) a observat influenţa magnetismului asupra arcului voltaic (descărcării electrice dintre doi electrozi de carbon). Aceste fapte au prefigurat şi apropiat momentul stabilirii legăturii dintre magnetism şi electricitate.

Pasul decisiv a fost făcut de către profesorul Hans Christian Oersted în februarie 1820. În timpul unei prelegeri, acesta demonstra studenţilor încălzirea firului conductor parcurs de un curent electric. În vecinătatea firului încălzit până la roşu se afla o busolă, al cărei ac magnetic s-a rotit, adică a deviat de la planul meridianului magnetic, sub acţiunea curentului electric din fir. Oersted a numit această acţiune conflict electric. Astfel a fost descoperită acţiunea curentului electric asupra acului magnetic, adică existenţa unei legături între fenomenele electrice şi cele magnetice. În zilele următoare a repetat experienţa, în mai multe variante, în scopul de a identifica condiţiile în care fenomenul are loc şi de a stabili factorii care îl influenţează.

52 53

El a constatat că acţiunea curentului asupra acului magnetic are loc numai dacă circuitul electric este închis şi nu se observă atunci când acesta este întrerupt.

A luat fire conductoare din metale diferite: platină, aur, argint, alamă, fier, staniu, plumb şi chiar o fâşie de mercur turnat într-un jgheab. În urma acestor experimente a constatat că natura metalului nu influenţează acţiunea magnetică a curentului electric.

Într-o altă serie de experimente a introdus între busolă şi firul parcurs de curent electric diferite obiecte: plăci de sticlă, foi metalice, bucăţi de lemn, corpuri din lut, piatră, o farfurie cu apă şi a constatat că influenţa asupra acului magnetic se transmite şi prin acestea.

A repetat experienţa pentru poziţii diferite ale firului conductor: poziţie orizontală în planul meridianului magnetic, perpendiculară pe acest plan, precum şi poziţie verticală, studiind influenţa curentului asupra acului magnetic în poziţii diferite ale acestuia faţă de conductor. A stabilit că unghiul de deviaţie al acului, adică acţiunea curentului asupra lui, se manifestă mai slab la mărirea distanţei ac–conductor, iar la inversarea sensului curentului în conductor, se inversează sensul devierii acului magnetic. Analizând experimentele efectuate, Oersted a menţionat că acţiunea asupra acului magnetic se propagă în cercuri, adică are caracter turbionar, ceea ce era o noutate în fizică.

Oersted a formulat o regulă care permite să se determine sensul în care se deplasează polii magnetici la închiderea circuitului electric, în cazul în care până la aceasta conductorul orizontal era paralel cu acul magnetic, adică se afla în planul meridianului magnetic. Iată enunţul regulii (după Oersted): „Polul care vede electricitatea negativă (adică legat la borna negativă a sursei de electricitate) intrând deasupra sa, se abate spre vest, iar polul care vede această electricitate intrând sub el, se abate spre est”.

Menţionăm că unele experimente au fost efectuate, pentru documentare, în faţa unui consiliu format din personalităţi marcante din Danemarca, care includea nu numai savanţi, ci şi reprezentanţi ai Casei Regale şi ai unor instituţii supreme de stat.

Rezultatele cercetărilor lui Oersted au fost expuse într-o lucrare de 4 pagini, scrisă în latină: „experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticum” („experiment referitor la acţiunea conflictului electric asupra acului magnetic”). La 21 iulie 1820 lucrarea a fost expediată celor mai importante centre ştiinţifice şi reviste de

specialitate din Europa. Acest procedeu de informare a lumii ştiinţifice despre rezultatele obţinute a fost utilizat chiar şi la finele anului 1895 de către Wilhelm Konrad roentgen (1845–1923), descoperitorul razelor X.

Lucrarea lui Oersted a fost publicată pentru prima oară în Franţa, la finele anului 1820, în revista „Annales de Chimie et de Physique”.

În august 1820, la Geneva a avut loc un Congres al Naturaliştilor şi Medicilor, la una din şedinţele căruia au fost prezentate în faţa auditoriului unele din experimentele lui Oersted. În aulă se afla şi cunoscutul fizician francez François Dominique Jean Arago (1786–1853). Impresionat de cele prezentate, Arago a descris aceste experimente colegilor săi francezi, în şedinţa din 4 septembrie a Academiei din Paris, iar la şedinţa următoare, din 11 septembrie, a reuşit chiar să le şi efectueze (pe unele din ele).

La aceste şedinţe a participat şi André Marie Ampère (1775–1836), un savant consacrat, şi el membru al Academiei. A fost impresionat de cele văzute şi s-a implicat serios în aceste cercetări. La următoarea şedinţă a Academiei, din 18 septembrie, a expus viziunea sa asupra problemei în cauză, considerând că magnetismul are natură electrică şi a folosit pentru prima dată în fizică sintagma de „curent electric”. El a fundamentat existenţa unei interacţiuni între conductoarele parcurse în acelaşi timp de curenţi electrici. A presupus că magnetismul terestru este de provenienţă electrică şi este condiţionat de existenţa în pământ a unor curenţi care circulă în sensul est-vest.

Ampère considera că regula lui Oersted, care permitea deter-minarea sensului deplasării polilor acului magnetic aflat în apropierea conductorului cu curent, este prea complicată şi a propus o altă regulă, cunoscută sub numele de regula înotătorului: înotătorul care se deplasează în sensul curentului electric vede polul nord al acului magnetic aflat între el şi conductor abătut spre dreapta.

După încă o săptămână, la şedinţa din 25 septembrie, a efectuat experienţe ce ilustrau interacţiunea conductoarelor paralele prin care circulau curenţi electrici: atragerea lor în cazul curenţilor de acelaşi sens şi respingerea celor de sensuri opuse. Astfel, graţie descoperirii lui Ampère, rezultatele lui Oersted au impulsionat cercetări intense într-un domeniu nou al fizicii, numit ulterior electromagnetism.

În acelaşi an 1820, Arago a obţinut magnetizarea piliturii de fier aflată în vecinătatea conductoarelor prin care circulă curent şi a demonstrat că acţiunea curentului asupra piliturii este similară

54 55

acţiunii asupra acului magne-tic. Arago a realizat un experi-ment sim plu, în care se observa caracterul circular al acţiunii magnetice a curentului. O placă orizontală de carton avea în mi-jlocul său un orificiu prin care era trecut un conductor vertical. Pe placă a fost presărată pili tură fină de fier. Dacă prin conduc-tor circula curent elec tric şi placa era lovită uşor de mai multe ori, se observa aranjarea piliturii în cercuri (Fig. 19). În prezent

această experienţă importantă şi in struc-tivă este efec tuată în şcoli la orele de fizică.

Oersted a publicat a doua sa lucrare, în care a corectat o afirmaţie din primul tratat. În primele experimente firul cu curent era încălzit până la roşu şi Oersted credea că aceasta este o condiţie strict necesară manifestării acţiunii magnetice. Ulterior a stabilit că acţiunea magnetică are loc şi în cazul conductorului rece, dar ea lipseşte dacă ácele sunt din alamă, sticlă sau cauciuc.

C. Holten, un discipol al lui Oer-sted, devenit succesor al acestuia la Catedra de fizică, a formulat o altă regulă pentru determinarea direcţiei acţiunii magnetice. Menţionăm că cele trei reguli care permit să fie determinată direcţia acţiunii magnetice au fost ulterior înlocuite cu alte reguli, mai simple, utilizate în prezent.Una din ele a fost propusă de către John Ambrose Fleming (1849–1945) şi este cunoscută cu denumirea de regula mâinii drepte: dacă ţinem conductorul parcurs de curent în mâna dreaptă astfel încât degetul mare să indice sensul curentului, atunci cele patru degete indică sensul liniilor magnetice (Fig. 20).

Paralel, este utilizată şi regula burghiului cu filet spre dreapta: sensul liniilor magnetice din jurul conductorului parcurs de curent coincide cu sensul rotirii mânerului burghiului pentru a deplasa vârful lui în sensul curentului electric (Fig. 21).

Pentru a înregistra şi cerceta acţiunea magnetică a curenţilor slabi, în acelaşi an 1820, Iohann Salomo Christoph Schweigger (1779–1857) a introdus acul mag-netic în interiorul unei bobine cu mai multe spire. În această situaţie acţiunile magnetice ale curenţilor din spire se adună şi efectul este am-plificat. Dispozitivul s-a numit, pe bună dreptate, multiplicator.

În toate experimentele din anul 1820, în care se studia acţiunea magnetică a curenţilor electrici, acţiona simultan şi magnetismul terestru. În anul 1821 Ampère a propus o metodă care permitea izolarea ultimului. Pe un ax din cupru a fixat paralel două ace magnetice, având polii de acelaşi nume orientaţi în sensuri opuse. A obţinut un cuplu astatic – acţiunea câmpului magnetic omogen asupra lui este nulă. La plasarea cuplului lângă un conductor cu curent, astfel încât un ac să se afle deasupra conductorului, iar al doilea – sub el, acţiunile magnetice se adună.

În afară de savanţii numiţi mai sus, în cercetările iniţiate de descoperirea lui Oersted şi-au adus contribuţia şi alţi fizicieni care au obţinut rezultate remarcabile. Printre ei sunt Jean-Baptiste Biot (1774 –1862) şi Felix Savart (1791–1841) – ambii din Franţa, Michael Faraday (1791–1867) din Anglia, Joseph Henry (1797–1878) din SUA ş.a. A fost inventat electromagnetul, au fost construite aparate electrice de măsură, au fost descoperite fenomene noi şi au fost formulate legile care se manifestă în ele, a fost dezvoltată o industrie care avea la bază electromagnetismul.

După cum a menţionat Arago, experienţa lui Oersted a pus în evidenţă existenţa în natură a unui nou gen de interacţiune. Până în

Fig. 19

Fig. 20

Fig. 21

56 57

anul 1820 erau cunoscute doar interacţiuni la distanţă în care forţele – de atracţie sau de respingere – erau orientate de-a lungul dreptei pe care se aflau corpurile respective, considerate punctiforme. Curentul electric nu atrage şi nici nu respinge polii acului magnetic, ci orientează acul magnetic într-o direcţie anumită, în planul perpendicular pe conductor.

În anii ce au urmat după această mare descoperire, Oersted şi-a continuat activitatea ştiinţifică efectuând cercetări vaste ale compresibilităţii lichidelor şi gazelor. În acest scop a inventat, în anul 1822, un dispozitiv special – piezometrul (de la grecescul piézö – apăs şi metréö – măsor). În cea mai simplă variantă acesta se prezintă ca o cavitate cilindrică în care este introdusă substanţa de cercetat, fiind comprimată de două pistoane apăsate unul spre altul. Astfel a stabilit că la temperatură constantă şi la presiuni înalte produsul dintre presiunea şi volumul masei date de gaz nu rămâne constant, adică au loc abateri de la legea Boyle-Mariotte.

În anul 1821 fizicianul german Thomas Iohann Seebeck (1770–1831) a introdus în interiorul unei bobine din sârmă de cupru un ac magnetic ce avea posibilitatea să se rotească. La capetele sârmei de cupru au fost sudate capetele unei sârme din bismut. S-a obţinut un circuit conductor închis format din metale diferite. Dacă un contact cupru–bismut era încălzit la flacăra unei lămpi, iar al doilea contact era rece, acul magnetic devia de la poziţia sa. Seebeck a numit acest efect termomagnetism. Informat de Seebeck despre descoperire, înainte de a fi publicată lucrarea respectivă, Oersted a explicat rotirea acului magnetic prin apariţia în circuit a curentului electric în cazul în care temperaturile contactelor sunt diferite. Pentru acest efect a propus denumirea termoelectricitate, denumire adoptată apoi de fizicieni. Oersted a iniţiat utilizarea elementelor termoelectrice la efectuarea măsurătorilor termice, în particular, la studierea radiaţiei termice.

În anul 1823 Oersted a confecţionat un circuit electric care conţinea mai multe perechi de conductoare diferite, legate în serie. O parte din contacte, luate peste unul, erau menţinute la temperatura camerei, cealaltă parte era încălzită. S-a constatat că efectul termoelectric s-a amplificat proporţional cu numărul perechilor de contacte. A fost, astfel, inventată bateria termoelectrică. În acelaşi an, independent

de Oersted, rezultate similare a obţinut savantul francez Jean-Baptiste Joseph Fourier (1786–1830). Ca urmare, bateria termoelectrică mai este numită şi bateria oersted-Fourier.

Cercetările lui Oersted din domeniul chimiei s-au încununat cu descoperirea unui nou element chimic. Prelucrând argila prin metode chimice, a obţinut, în anul 1825, un metal de culoare argintie, numit iniţial argint din argilă, mai apoi – cu numele cunoscut în prezent – aluminiu. După doi ani, în 1827, chimistul german Friedrich Woehler (1800–1892) a elaborat o metodă mai practică şi mai eficientă de obţinere a aluminiului, metodă ce a fost aplicată ulterior industrial, pe scară largă. Prioritatea descoperirii aluminiului nu poate fi pusă însă în discuţie. Ea îi revine indiscutabil lui Oersted.

În activitatea ştiinţifică Oersted era călăuzit de principiul că „orice idei noi trebuie să fie confirmate experimental, altfel, ele nu au nicio valoare”. A organizat şi a dotat primul laborator de fizică din Danemarca, confecţionându-şi majoritatea instalaţiilor utilizate în cercetările sale.

În anul 1824 a organizat Societatea de Propagare a Ştiinţelor Naturii, contribuind la ridicarea nivelului cunoaşterii acestora. Conferinţele sale publice se bucurau de un mare succes printre ascultători.

Oersted a fost unul dintre fondatorii Şcolii Politehnice din Copenhaga (1829) şi primul director al ei. În laboratorul de fizică al şcolii se păstrează un electromagnet puternic, construit sub îndrumarea lui.

În urma activităţii de mai mulţi ani a lui Oersted, fizica a încetat să mai fie o disciplină de studii de mâna a doua în sistemul de învăţământ din ţara sa.

Cercetările ştiinţifice ale lui Oersted au fost mult apreciate de contemporani. Descoperitorul unui „nou gen de interacţiune” (cum spunea Arago), de fapt al uneia dintre faţetele legăturii intime dintre electricitate şi magnetism, savantul a fost ales membru de onoare al multor academii de ştiinţe. S-a stins din viaţă la 9 martie 1851, la vârsta de 74 ani.

Numele lui Oersted îl întâlnim în manualele şcolare, în capitolul în care este expus electromagnetismul. În onoarea savantului unitatea de intensitate a câmpului magnetic a primit denumirea de Oersted

58 59

Joseph Louis Gay-Lussac(1778–1850)

Viitorul fizician şi chimist care, prin întreaga sa activitate, a făcut onoare ştiinţei franceze, Joseph Louis Gay-Lussac, s-a născut la 6 decembrie 1778 în oraşul Saint-Léonard de Noblat. Anii copilăriei i-a petrecut în condiţii foarte grele. A primit educaţie la pensionul lui Savour din Paris, dar, din cauza

foametei şi imposibilității de a-şi alimenta elevii, proprietarul s-a văzut nevoit să-l închidă, în anul 1795. Atunci, Gay-Lussac a trecut la pensionul lui Sansier, situat în afara Parisului. Aici, pe lângă învăţătură, el îşi ajuta stăpâna, însoţind-o în fiecare zi la Paris unde vindea laptele de la vacile sale. La întoarcerea spre casă, în căruţă, Gay-Lussac studia algebră şi geometrie, pregătindu-se astfel pentru a intra la Școala Politehnică. Capacităţile remarcabile, sârguința neobişnuită şi organismul viguros i-au permis să susţină excelent examenele de admitere. În timpul învăţăturii da lecţii particulare tinerilor care se pregăteau pentru a se angaja în câmpul muncii, câştigând astfel banii necesari pentru a-şi continua studiile.

În Școala Politehnică, Gay-Lussac a fost remarcat de vestitul chimist Claude Louis Berthollet (1748–1822), care, după absolvirea şcolii în anul 1800, l-a angajat în laboratorul său. În primele cercetări Gay-Lussac a obţinut unele rezultate diametral opuse celor presupuse de protectorul său. Sinceritatea tânărului cercetător l-a impresionat profund pe Berthollet, care i-a spus: „Tinere, păreţi născut pentru a efectua descoperiri; de astăzi îmi sunteţi coleg, eu vreau să vă fiu părinte știinţific și cred că mă voi mândri cu acest titlu”.

Fig. 23

Fig. 22

(cu simbolul Oe). În prezent, după trecerea la Sistemul Internaţional de Unităţi (SI), ea nu se mai utilizează.

În anul 1920 Banca Naţională a Danemarcei a pus în circulaţie o bancnotă cu valoarea de 100 krone, pe care este imprimată imaginea lui Oersted (Fig. 22).

60 61

Gay-Lussac şi-a început activitatea ştiinţifică cu cercetarea proprietăţilor gazelor. Schema instalaţiei sale este prezentată în Figura 23. În balonaşul A se afla aer perfect uscat, care era separat de mediul exterior cu o picătură mobilă de mercur B, aflată în tubul orizontal; astfel presiunea se menţinea la o valoare constantă când volumul gazului se modifica. Temperatura se măsura cu două termometre. În urma unei serii de experimente, în anul 1802 Gay-Lussac a descoperit legea dilatării termice a gazelor la presiune constantă: „Dacă împărţim creșterea totală a volumului la numărul de grade ce a cauzat această creștere, atunci obţinem că variaţia volumului la fiecare grad al scării centigrade constituie 1/266,66 din volumul la zero grade”. Acest rezultat

este cunoscut sub denumirea de legea lui Gay-Lussac. Ea se exprimă prin

formula sau , unde .

Să menţionăm că timp de circa 35 de ani această valoare era considerată una din cele mai exacte valori ale constantelor fizice. Abia în 1837 a fost obţinută o valoare mai apropiată de cea utilizată în prezent, adică de .

Pornind de la rezultatele cercetărilor privind dilatarea termică a gazelor, John Dalton (1766–1844) a presupus existenţa unui „nivel absolut al frigului” ca fiind acea temperatură la care volumul gazului ar deveni egal cu zero. Din cauza unor presupuneri insuficient fondate, Dalton a obţinut pentru acest nivel (de zero absolut) al temperaturii o valoare de o840 C− . În baza propriei legi, Gay-Lussac a obţinut o temperatură mult mai înaltă, o267 C− , valoare destul de apropiată de cea reală, din zilele noastre, a lui zero absolut ( o273,15 C− ).

Pentru a lărgi domeniul cercetărilor sale, la 24 august 1804, Gay-Lussac a făcut o călătorie cu balonul, împreună cu Jean-Baptiste Biot (1774–1862), vestit prin lucrările sale în domeniul magnetismului. Ei s-au ridicat la o înălţime de circa 4 000 metri, cu scopul de a cerceta dependenţa magnetismului terestru de înălţime. Aici ei s-au străduit să facă observaţii asupra oscilaţiilor acului magnetic în plan orizontal, dar rotaţia balonului în jurul axei sale le-a complicat în mod considerabil planul iniţial. La 16 septembrie din acelaşi an, Gay-Lussac a realizat, de unul singur, a doua călătorie cu balonul şi a atins înălţimea de 7 016 metri – mai mare decât toate înălţimile la care se ridicau aeronauţii în acele timpuri. În această călătorie

Gay-Lussac a stabilit că temperatura atmosferei variază considerabil în funcţie de înălţime – la înălţimea de 7 000 metri temperatura era de o9,5 C− , în timp ce la suprafaţa Pământului ea era de o+27,20 C la umbră (în timpul călătoriei, fiind îmbrăcat cam subțire, în haine de vară, a avut de înfruntat şi un frig cumplit). Prelucrând, împreună cu Biot, rezultatele observărilor asupra acului magnetic, au ajuns la concluzia că la aceste altitudini intensitatea magnetismului terestru rămâne practic aceeaşi. Gay-Lussac a luat probe de aer la înălţimea de 6 636 metri şi a stabilit că nu se deosebeşte cu nimic componenţa lui de componenţa aerului din vecinătatea suprafeţei Pământului.

În anii 1805–1806, împreună cu vestitul naturalist şi călător ger-man Alexander von Humboldt (1767–1835), Gay-Lussac a făcut o călă torie prin Europa, în care şi-a continuat cercetările privind com-ponenţa atmosferei şi magnetismul terestru. În anul 1806, la numai 28 de ani, a fost ales membru al Academiei din Paris.

După doi ani, Gay-Lussac a descoperit legea rapoartelor volume-lor de gaze ce participă la reacţiile chimice. El a stabilit că acest raport corespunde unor numere întregi nu prea mari. De exemplu, determi-nând, la aceeaşi presiune şi temperatură, volumele de oxigen, azot şi monoxid de azot, Gay-Lussac a stabilit că reacția dintre un volum de azot şi un volum de oxigen dă două volume de monoxid de azot, deci raportul volumelor este de 1:1:2. Această lege a jucat un rol important la fundamentarea teoriei atomo-moleculare a gazelor. Ea i-a permis, ulterior, italianului Amedeo Avogadro (1776–1856) să tragă concluzii corecte privind structura moleculelor gazelor simple şi să facă o deli-mitare netă între noţiunile de atom şi de moleculă.

În anul 1808 Gay-Lussac a devenit profesor de fizică la Sorbona, iar în cel următor, 1809 – profesor de chimie la Școala Politehnică. Interesul său ştiinţific s-a deplasat uşor spre domeniul chimiei, unde a obţinut o serie de rezultate importante referitoare la proprietăţile sodiului, potasiului, borului, iodului şi ale altor compuşi ai acestora.

În anul 1811, în centrul atenţiei sale s-a aflat descoperirea realizată cu un deceniu mai devreme, în anul 1800, de către cercetătorii englezi William Nicholson (1753–1815) şi Anthony Carlisle (1768–1840). Aceştia reuşiseră să descompună apa în oxigen şi hidrogen cu ajutorul curentului electric. Gay-Lussac, împreună cu Louis-Jacques Thénard (1777–1857), au stabilit că viteza descompunerii apei depinde numai de intensitatea curentului electric şi nu, în mod direct, de dimensiunile

62 63

sau de forma electrozilor, precum şi de concentraţia soluţiei. Aceste rezultate au fost confirmate ulterior în cercetările minuţioase ale lui Michael Faraday (1791–1867), care au dus la stabilirea legilor electrolizei.

În anul 1826 un grup de fabricanţi – producători de acid sulfuric – s-a adresat lui Gay-Lussac cu rugămintea de a-i ajuta să-şi perfecţioneze tehnologia, pentru a deveni nepoluantă. În acei ani, monoxidul de azot – un produs al reacţiilor din procesul tehnologic – era eliberat în atmosferă printr-un coş înalt. La amestecarea lui cu aerul se obţinea dioxid de azot şi, din coşul uzinei, ieşeau rotocoale de fum brun-cenuşiu care afecta viaţa celor din jur, inclusiv a muncitorilor din uzină. După câţiva ani de cercetări Gay-Lussac a propus o metodă de eliminare a monoxidului de azot din deşeurile rezultate, având la bază proprietatea lui de a se dizolva în acidul sulfuric – soluţia respectivă este denumită nitroză. Instalaţia în care se aplică această metodă are forma unui turn. Primul turn de acest fel a fost construit în anul 1840. El se utilizează şi în prezent cu denumirea de „turnul Gay-Lussac”, menţionându-se astfel că inventatorul lui era preocupat nu numai de probleme teoretice, pur academice, ci şi de aplicarea legităţilor descoperite prin cercetarea propriu-zisă în practica industrială (şi ecologică).

Gay-Lussac a acordat o atenţie deosebită experimentului, pro-punând şi perfecţionând o serie de aparate de măsură, precum alcoolmetrul, higrometrul, termometrele, barometrul cu sifon şi altele.

Datorită rezultatelor ştiinţifice din domeniul fizicii, chimiei şi tehnologiei, obţinute cu totală implicare şi cu multă perseverenţă, Gay-Lussac s-a bucurat de aprecierea savanţilor din Europa, care l-au ales membru al mai multor academii şi societăţi ştiinţifice.

Gay-Lussac a fost o fire jovială, un entuziast, un cercetător devotat ştiinţei, un om generos şi un foarte bun coleg. Este admirabil un gest umanitar al său, ce a presupus şi un deosebit curaj. În timpul celor „o sută de zile”, când Napoleon a părăsit insula Elba şi s-a întors la Paris, preluând la 20 martie 1815 puterea de stat, fizicianul François Dominique Jean Arago (1786–1853) şi-a pus semnătura pe un document în favoarea lui Napoleon. După „cele o sută de zile”, când Napoleon a fost nevoit să cedeze puterea şi să plece definitiv în exil, Arago era în pericol să-şi piardă postul de profesor şi să fie persecutat, devenind „un nimeni”. Riscând, dar ştiind că dreptatea trebuie să

triumfe, Gay-Lussac a intervenit în favoarea acestuia, declarând public că, în acest caz, el ar trebui să fie primul eliberat din post, deoarece şi el şi-a pus semnătura pe acelaşi document, pronapoleonian. Despre eliberarea din post a lui Gay-Lussac nici nu putea fi vorba – el era deja un savant cu renume şi autoritatea sa trecuse de frontierele Franţei. În acest fel postul şi onoarea lui Arago au fost salvate!

Total devotat ştiinţei, Gay-Lussac nu evalua riscurile la care putea fi supus în timpul experienţelor sale, nu-şi cruţa niciodată eforturile. În timpul cercetărilor întreprinse a fost de multe ori grav rănit. De exemplu, la 3 iunie 1806, în timp ce studia proprietăţile potasiului, a fost grav rănit la ochi şi apoi vederea sa a slăbit simțitor. Câţiva ani mai târziu, când s-a produs explozia unei instalaţii, a fost grav rănit la o mână, fapt ce a necesitat un tratament medical de lungă durată. Unii medici au considerat că exploziile (din timpul experienţelor făcute) au fost cauza primară a bolii ce i-a curmat viaţa la 9 mai 1850. Pe ultimul său drum, cel fără de întoarcere, a fost condus de colegii săi de la Academia din Paris şi de la alte academii, de absolvenţi ai Școlii Politehnice.

În prezent, când omenirea cercetează cu succes nu numai at-mosfera terestră, ci şi spaţiul cosmic, unele rezultate ştiinţifice ale lui Gay-Lussac par lucruri banale, evidente, cunoscute parcă dintot-deauna. Orice elev ştie că la înălţimi mari, în componenţa atmosfe-rei, există aceleaşi gaze ca şi la suprafaţa Pământului, că la înălţimi de circa 9–11 kilometri, la care zboară avioanele companiilor aerie-ne din întreaga lume, temperatura atmosferei este în jur de (sau chiar mai coborâtă decât) o40 C− . Însă la începutul secolului al XIX-lea, aceste fapte nu erau cunoscute (de pildă, se credea, chiar invers, că la înălţime este mai cald, deoarece acolo suntem mai aproape de Soare). Stabilirea acestor adevăruri prin experienţe şi măsurători directe au fost descoperiri de mare însemnătate, ce au lărgit în mod considerabil cunoştinţele despre lumea înconjurătoare. Gay-Lussac a dat dovadă de mult curaj ridicându-se la înălţimi record pentru acele vremuri, când nu era clar dacă omul poate supravieţui la asemenea altitudini.

Prin descoperirile sale în domeniul fizicii şi chimiei numele lui Gay-Lussac va rămâne pentru totdeauna în istoria ştiinţei universale. El face parte din pleiada de savanţi ale căror nume îl poartă importante legi ale naturii.

64 65

Georg Simon Ohm(1789–1854)

Marele fizician german Georg Simon Ohm s-a născut la 16 martie 1789 la Erlangen, un orăşel cu circa 10 mii de locuitori, 4 şcoli primare, un gimnaziu şi o universitate. A rămas de mic fără mamă şi a fost educat de tatăl său, Johan Wolfgang Ohm, care îşi consacra tot timpul educaţiei copiilor. Tatăl său era lăcătuş şi i-a transmis fiului Georg

cunoştinţele şi deprinderile sale de a prelucra metalul, care i-au folosit acestuia mai apoi la confecţionarea aparatelor şi a instalaţiilor destinate cercetărilor ştiinţifice realizate. El a moştenit de la tatăl său, în aceeaşi măsură, insistenţa pentru atingerea scopului propus, capacitatea mare de muncă şi credinţa în dreptate.

Georg Ohm a absolvit una din şcolile primare din orăşel, apoi a urmat gimnaziul. Programul gimnaziului prevedea studiul limbilor clasi-ce, latina şi greaca, a istoriei şi geografiei, pe când pentru matematică erau prevăzute doar două ore pe săptămână, iar fizica, în clasele su-perioare, nici nu se studia. Tatăl lui Georg înţelegea importanţa unor cunoştinţe profunde în domeniul matematicii şi fizicii şi, privind în viitor, spre studiile ulterioare de la universitate, şi-a învăţat copiii – pe Georg şi pe Martin, fratele mai mic, devenit profesor de matematică – să lucreze mult, de sine stătător, cu cartea. Astfel ei au învăţat singuri nu numai matematica elementară, ci şi geometria superioară, precum şi unele elemente de analiză matematică.

După absolvirea cu succes a gimnaziului, în primăvara anului 1805 Georg Ohm a studiat matematica, fizica şi filosofia la Facultatea de Filosofie a universităţii din oraşul natal.

După doar un an şi jumătate de studii universitare a lucrat deja profesor de matematică la câteva şcoli din Elveţia. Paralel, continua să studieze matematica, fizica, chimia şi filosofia. În anul 1811 s-a întors în oraşul natal şi, muncind asiduu, a reuşit în acelaşi an să-şi finalizeze studiile universitare. După doi ani de activitate în cadrul universităţii, a acceptat un post de profesor de matematică în oraşul Bamberg.

Lucrând încă din anii studenţiei în calitate de profesor, este lesne de înţeles că prima lucrare publicată a lui Georg Ohm (1817) a abordat o temă de didactică, titlul ei era: „varianta optimă de predare a geometriei în clasele pregătitoare”.

Ulterior, Ohm este angajat profesor la Colegiul iezuit din Köln, unde începe transformarea lui din matematician în fizician. El com-pletează cu aparate noi de fizică colecţia bogată a colegiului.

În această perioadă, Ohm îşi conturează singur, cu mult dis-cernământ, domeniul preocupărilor sale ştiinţifice. În 1821 îi scria tatălui său: „Eu îmi închin tot timpul liber studierii fenomenelor electromagnetismului, descoperite recent, şi continui să urmăresc cu atenţie toate lucrările ce se referă la această temă”. În acea perioadă, după lucrările lui Alessandro Volta (1745–1827), confecţionarea surselor de curent nu întâmpina mari dificultăţi. Era necesar nu numai să se observe cu atenţie diferite fenomene provocate de curentul electric, ci şi să se introducă anumite mărimi fizice, cu care ele să fie caracterizate, şi să se stabilească relaţii între ele. După observarea încălzirii sârmuliţei ce uneşte polii sursei de curent a fost cercetată încălzirea sârmuliţelor din metale diferite, precum şi de lungimi şi secţiuni transversale diferite. În urma experimentelor, Ohm a introdus noţiunea de conductibilitate electrică. El compara conductibilităţile electrice ale sârmuliţelor după gradul lor de încălzire şi după timpul de descărcare completă a sursei de curent.

După descoperirea, în anul 1820, de către hans Christian oersted (1777–1851), a influenţei conductorului parcurs de curent electric asupra acului magnetic, s-a încercat a caracteriza conductibilitatea electrică prin valoarea unghiului de abatere a acului situat în vecinătatea conductorului cu curent. La baza instalaţiei sale Georg Ohm a pus principiul de funcţionare a balanţei de torsiune a lui Charles Coulomb (1736–1806). Deasupra unei sârmuliţe metalice orientate de-a lungul meridianului magnetic, paralel cu ea, era plasat un ac magnetic fixat de capătul inferior al unui fir metalic lăţit şi situat vertical, cu capătul superior imobil. Dacă prin sârmuliţă circula curent electric, acul magnetic se rotea cu un anumit unghi. Ohm rotea capul de suspensie al firului până când acul magnetic revenea în poziţia sa iniţială, adică paralel cu conductorul de sub el. Astfel era determinat unghiul de torsiune al firului, ceea ce permitea să se calculeze momentul de rotaţie care acţiona asupra acului magnetic din partea conductorului parcurs de curent.

66 67

În calitate de sursă de curent Ohm a folosit elemente Volta formate din plăci de cupru şi zinc introduse în soluţie de acid sulfuric. În instalaţia sa Ohm a utilizat contacte de mercur care erau mult răspândite în acele timpuri. Capetele bine curăţate ale conductorului cercetat erau introduse în două vase mici cu mercur, în care erau introduse de asemenea şi conductoarele de la sursa de curent.

Georg Ohm a folosit această instalaţie la cercetarea conductibilităţii electrice a metalelor. În acest scop el lua conductoare de lungimi şi secţiuni transversale identice, dar confecţionate din metale diferite. În calitate de etalon a luat conductorul din cupru, a cărui conductanţă electrică a fost considerată egală cu 1 000 unităţi convenţionale. Apoi în circuit erau introduse alte conductoare ce erau scurtate astfel încât acţiunea electrică asupra acului magnetic să devină aceeaşi ca cea din cazul conductorului de cupru etalon. Pe această cale Ohm a determinat conductanţele electrice ale unui şir de metale (în aceleaşi unităţi convenţionale): a aurului – 574, a argintului – 333, a fierului – 174, a plumbului – 97 ş.a.

Ohm a studiat conductanţa electrică în funcţie de aria secţiunii transversale a conductorului şi a stabilit că conductoarele din unul şi acelaşi metal, având lungimi proporţionale cu ariile secţiunilor transversale, au conductanţe electrice identice. El a demonstrat de asemenea că acţiunea magnetică a curentului este una şi aceeaşi pe porţiuni diferite ale circuitului fără ramificaţii.

Rezultatele obţinute au fost publicate în anul 1825 în articolul „Comunicare preliminară despre legea după care metalele conduc electricitatea de contact”, care însă nu a atras, din păcate, atenţia savanţilor care activau în respectivul domeniu.

Folosind elementele Volta, Ohm a con-statat că influenţa curentului electric asupra acului magnetic se micşora în timp, ceea ce nu permitea stabilirea unei caracteristici exacte a acţiunii magnetice. Aflând despre descoperirea lui Thomas Johann Seebeck (1770–1831) privind efectul termoelectric (1821), care permitea obţinerea unui curent Fig. 24

electric destul de stabil în timp, Ohm a decis să-l utilizeze în instalaţia sa (în Fig. 24 este prezentată schema acesteia, iar în Fig. 25 este pusă în evidenţă schema părţii electrice a ei). Firul metalic turtit i avea la capătul inferior acul magnetic g, iar capătul superior era fixat în capul h. Sursa de curent prezenta o fâşie de bismut având capetele îndoite sub unghi drept (porţiunile ae şi a ’ d din Fig. 25). La ca-pete erau fixate cu şuruburi benzi de cu-pru (bc şi b ’ c ’ ) . Porţiunile de contact bismut–cupru erau introduse în vase speciale. În unul din ele (m) se turna apă, menţinută la temperatura de fierbere cu ajutorul unei lămpi cu spirt. În al doilea vas (n) se topeau bucăţele mici de gheaţă. Astfel, contactele cuplului termoelectric se aflau la o diferenţă de temperaturi de o sută de grade. Capetele libere c şi c’ ale benzilor de cupru erau introduse în două vase mici cu mercur, în care se introduceau capetele f şi f ’ ale conductoarelor cercetate. Deasupra benzii de cupru bc (Fig. 25) era plasată o balanţă de torsiune de precizie înaltă (acul magnetic g fixat la capătul inferior al firului metalic i). Balanţa era acoperită cu un cilindru transparent (Fig. 24) pentru a exclude influenţa curenţilor de aer asupra instalaţiei. În rest această instalaţie a lui Ohm, precum şi tehnica măsurătorilor, repeta prima instalaţie în care folosea în calitate de sursă de curent elemente Volta.

În urma experimentelor Ohm a stabilit (în anul 1826) că datele obţinute pentru conductoare de secţiuni egale şi confecţionate din acelaşi metal satisfac foarte bine egalitatea

aXb x

=+

,

unde (în termenii utilizaţi de Ohm) X este forţa acţiunii magnetice a conductorului parcurs de curent asupra acului magnetic, x este lungimea conductorului, iar a şi b sunt doi parametri ale căror valori constante sunt determinate de forţa de excitaţie a curentului electric şi de restul circuitului.

Această formulă trece foarte simplu în legea lui ohm pentru un circuit simplu în forma cunoscută în prezent, înlocuind mărimea X cu

Fig. 25

68 69

intensitatea I a curentului, parametrul a – cu tensiunea electromotoare 1şi (b + x) cu rezistenţa totală (r + R). Astfel, obţinem

I = .

Ohm a cercetat în mod destul de amănunţit dependenţa curentului electric de diferiţi factori. El a modificat temperaturile contactelor cuplului termoelectric şi a stabilit că forţa de excitaţie a lui (tensiunea electromotoare în termeni moderni) este proporţională cu diferenţa dintre temperaturile contactelor. Studiind conductanţa electrică a conductoarelor metalice în funcţie de temperatură, Ohm a stabilit că ea se micşorează la ridicarea temperaturii şi se măreşte la coborârea ei. El a comparat curenţii electrici nu numai după acţiunea lor magnetică, ci şi după acţiunea lor chimică, după volumul gazelor obţinute în urma descompunerii apei. Au fost obţinute practic aceleaşi rezultate.

În perioada 1826–1827, pentru a-şi continua cercetările începute, Ohm a beneficiat de un stagiu la Berlin timp de un an. Aici el a realizat studii teoretice având ca scop precizarea noţiunilor fizice necesare pentru descrierea circuitelor electrice şi înţelegerea mai profundă a datelor obţinute în experimente. La baza interpretărilor Ohm a pus analogia dintre propagarea „electricităţii” şi a „căldurii”. După cum fluxul de căldură este condiţionat de „căderea” (diferenţa) temperaturilor, tot aşa, după Ohm, curentul electric este condiţionat de „căderea tensiunilor electrice” care iau valori diferite în puncte diferite ale conductorului. Ohm a introdus noţiunea de tensiune electromotoare sau tensiune electroscopică, cum o numea el, şi a formulat definiţia strictă a ei, a introdus noţiunile de intensitate a curentului electric, de rezistenţă a conductorului. El a utilizat de asemenea analogia dintre curentul electric în conductoare şi curgerea lichidului prin tuburi. În acest caz „căderea sau diferenţa tensiunilor electrice”, necesară susţinerii curentului electric, este analogică diferenţei de niveluri care asigură curgerea apei prin tub. Aceste rezultate importante au fost expuse în monografia sa „Cercetări teoretice ale circuitelor electrice”(1827).

După expirarea stagiului a rămas la Berlin în calitate de profesor de fizică al Academiei Militare, continuând simultan cercetările în domeniul aparatelor electrice de măsură.

În anul 1833 a acceptat postul de profesor al Institutului Politehnic din Nüremberg, al cărui rector a devenit în 1839. În această perioadă,

1R + r

cercetările lui Ohm au fost consacrate mai ales acusticii, efectuând studii referitoare la timbrul sunetelor. El a stabilit că orice semnal sonor poate fi considerat ca o combinaţie dintre oscilaţia armonică fundamentală şi câteva oscilații armonice suplimentare, ale căror frecvenţe sunt multiplii celei fundamentale. Rezultatele acestor cercetări au fost formulate sub forma unei legi, numită ulterior legea acustică a lui ohm.

A studiat de asemenea, cu multă atenţie, fenomenul de polarizare a surselor chimice de curent electric, anume cel al elementelor galvanice.

Meritele ştiinţifice ale lui Ohm au fost apreciate la justa lor valoa-re relativ târziu. În anul 1835, într-o lucrare comună, fizicienii hein-rich Friedrich Emil Lenz (1804–1865) şi Boris Iacobi (1801–1874) au menţionat explicit că la baza calculelor elementelor circuitului galvanic utilizat de ei se află legea lui Ohm, confirmată şi de lucrările altor fizici-eni. În anul 1842 Societatea Regală din Londra l-a ales pe Ohm mem-bru al ei şi i-a decernat Medalia de Aur. El a fost al doilea savant german căruia i-au fost acordate astfel de onoruri în Marea Britanie. Savantul american Joseph henry (1797–1878) s-a exprimat astfel: „Când am făcut cunoştinţă pentru prima dată cu teoria lui Ohm, ea mi-a apărut ca un fulger ce a iluminat brusc camera mea cufundată în întuneric”.

Patria savantului i-a recunoscut meritele mai târziu. În anul 1845 Ohm a fost ales membru al Academiei de Ştiinţe din Bavaria, iar în anul 1849 Universitatea din München l-a invitat în calitate de profesor extraordinar. În această perioadă era preocupat mult de optică şi studia cu pasiune unele aspecte ale interferenţei luminii în cristale.

Ohm a elaborat şi un manual de fizică pentru studenţi. La cursurile sale de fizică acorda o atenţie deosebită efectuării de experimente demonstrative.

La începutul anului 1854 Ohm a suferit un atac de cord, iar la 6 iulie a aceluiaşi an, în urma unui al doilea atac, s-a stins din viaţă.

Cercetările ulterioare au extins domeniul de aplicabilitate a legii lui Ohm. Ea a fost generalizată în anul 1851 pentru lichide şi gaze de către Rudolf Hermann Arndt Kohlrausch (1809–1858), iar în anul 1869 – pentru curentul alternativ, de către Herman Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894).

La dezvelirea monumentului lui Ohm, în anul 1895, vorbind despre importanţa rezultatelor ştiinţifice obţinute de cel omagiat, profesorul E. Lammel de la Universitatea din München spunea: „Ohm a indicat unicul traseu just de urmat prin pădurea de netrecut a faptelor

70 71

neînţelese. Succesele remarcabile din domeniul electrotehnicii, ai căror martori am fost în ultimele decenii, au putut fi obţinute numai pe baza descoperirii lui Ohm. numai acela care a reuşit să descopere legi ale naturii este capabil să-i stăpânească forţele şi să le dirijeze. Ohm a smuls de la natură o taină ascunsă profund în ea şi a transmis-o în mâinile contemporanilor”.

Numele lui Ohm îl poartă astăzi două legi: una din legile fun-damentale ale circuitelor electrice, de curent continuu sau alternativ, precum şi o lege din acustică.

La Congresul Internaţional al Electricienilor (Paris, 1881) a fost adoptată unanim denumirea unităţii de rezistenţă – Ohm, cu sim-bolul Ω. Menţionăm că, timp de mai mulţi ani, unitatea pentru conductanţa electrică – mărimea fizică inversă rezistenţei electrice – a purtat numele MHO, care se obţine din OHM prin anagramare; ul-terior această unitate a fost numită Siemens, cu simbolul Sm, în onoa-rea inginerului şi inventatorului german Ernst Werner von Siemens(1816–1892). Aparatul cu care se măsoară rezistenţa electrică se numeşte ohmmetru. Astfel, numele lui Ohm este înveşnicit în fizică şi tehnică, ceea este un act de stimă din partea colegilor şi unul de recunoaştere în plan mondial a meritelor savantului.

Michael faraday(1791–1867)

La începutul secolului al XX-lea ma-joritatea revistelor tehnice şi ştiinţifice au făcut bilanţul descoperirilor efectuate pe parcursul secolului al XIX-lea în domeniile respective. Un astfel de sondaj a realizat şi revista „Electrical World” („Lumea electricităţii”), una dintre cele mai răspândite reviste în respectivul domeniu. În primul său număr din anul

1901 au fost publicate rezultatele obţinute în urma chestionării a trei categorii de cititori. Din prima categorie făceau parte profesori univer-sitari, din a doua – ingineri, adică persoane preocupate nu numai de cercetarea ştiinţifică propriu-zisă, ci şi de aplicaţiile ei. Categoria a treia era constituită din 25 de personalităţi de vază care s-au evidenţiat prin lucrările efectuate. În baza acestor sondaje de opinii au fost alcătuite trei clasamente, în corespundere cu cele trei categorii de cititori. În fruntea tuturor listelor era numele lui Michael Faraday – unicul nume asupra căruia nu a fost divergenţă de păreri.

Michael Faraday s-a născut la 22 septembrie 1791 în familia fierarului James Faraday. A fost al treilea copil într-o familie de oameni simpli, muncitori.

Faraday a învăţat la şcoala primară doar să citească, să scrie şi să socotească. La 12 ani s-a angajat ca ucenic la un librar, care era şi legător de cărţi. Era satisfăcut de activităţile de la acest serviciu, deoarece, în orele libere, avea posibilitatea să citească diverse cărţi, inclusiv ştiinţifice. Se străduia să se convingă de cele aflate prin lectură şi efectua experimente într-un mic laborator creat de el în podul unui grajd.

Din iniţiativă proprie Faraday a frecventat lecţiile publice ale lui Humphry Davy (1778–1829) ţinute în cadrul Societăţii Regale din Londra. Davy era cunoscut ca un mare savant, care descoperise o serie de elemente chimice, precum potasiul, sodiul, bariul, stronţiul ş.a. După un scurt interval de timp Faraday şi-a propus candidatura lui Davy pentru postul de ajutor de laborant şi a fost acceptat. În perioada

72 73

octombrie 1813 – aprilie 1815 l-a însoţit pe Davy într-o călătorie de doi ani prin Europa, vizitând mai multe centre ştiinţifice din Franţa, Italia şi Elveţia, unde au luat cunoştinţă de cercetările efectuate acolo.

Iniţial, Faraday îl ajuta pe Davy la efectuarea experimentelor, apoi i se încredinţară analizele unor substanţe, precum şi publicarea unora din rezultatele obţinute. Prima publicaţie a lui Faraday (1816) conţinea rezultatele analizei chimice a unui sortiment de var trimis din Toscana, Italia.

În anul 1823 Faraday a început să studieze hidratul de clor, care în stare solidă este asemeni unei zăpezi de culoare gălbuie. Prin încălzire el se descompune în părţile sale componente: în apă şi în clor, în stare gazoasă. Faraday a introdus hidratul de clor într-un tub încovoiat, pe care apoi l-a sudat. Un capăt al tubului a fost introdus într-un vas ce conţinea un amestec frigorific, iar al doilea capăt a fost încălzit (Fig. 26). Ca urmare, apa

din hidratul de clor se evapora şi ocupa în stare gazoasă un volum cu mult mai mare decât cel ocupat în stare lichidă, presiunea în tub creştea în mod semnificativ, ceea ce provoca lichefierea clorului din capătul răcit.

Acest rezultat a fost deosebit de important. Până la aceste lucrări ale lui Faraday toate gazele erau clasificate în două grupe: în vapori şi în gaze permanente. Se considera că la comprimare vaporii trec în stare lichidă, pe când gazele permanente rămân mereu în stare gazoasă. Clorul era considerat gaz permanent. Transformându-l în stare lichidă, Faraday a combătut această concepţie şi a demonstrat că gazele permanente sunt vaporii lichidelor corespunzătoare.

Prin această metodă, adică prin comprimare şi răcire simultană, Faraday a transformat în stare lichidă mai multe gaze ce erau considerate permanente: amoniacul, dioxidul de carbon, protoxidul de azot ş.a. Experimentele lui Faraday sunt considerate, de bună seamă, drept un început al tehnicii moderne în domeniul temperaturilor joase.

Mai târziu interesul ştiinţific al lui Faraday a început să fie puternic atras de un domeniu nou pentru acei ani – electromagnetismul.

Timp destul de îndelungat fenomenele electrice şi magnetice erau studiate independent unele de altele. Dar în anul 1820 profesorul

Fig. 26

hans Christian oersted (1777–1851) de la Universitatea din Copen-haga a descoperit influenţa curentului electric asupra acului magnetic. Această experienţă se consideră începutul electromagnetismului şi a atras atenţia unui şir întreg de fizicieni: François Dominique Jean Arago (1786 – 1853), André Marie Ampère (1775–1836), Jean-Baptiste Biot (1774–1862) şi Félix Savart (1791–1841) din Franţa, Humphry Davy şi Michael Faraday din Anglia ş.a. Revista „Analls of Science” („Analele ştiinţei”) i-a comandat lui Faraday un articol „monografic” care să expună istoria electromagnetismului, cu descrierea amănunţită a tuturor experienţelor de până atunci din acel domeniu. Luând solicitarea foarte în serios, a studiat toate materialele publicate în domeniul electricităţii şi magnetismului şi a efectuat experienţele descrise, apoi a scris lucrarea comandată.

Oersted stabilise că acul magnetic se orientează în direcţie perpen-diculară pe conductorul prin care circulă curentul electric. Apoi, Ampère a demonstrat că solenoidul parcurs de curentul electric se orientează de asemenea în direcţie perpendiculară pe conductorul cu curent, iar la inversarea sensului curentului din solenoid, acesta se roteşte cu 180°. Reieşind din aceste observaţii, Faraday şi-a imaginat că ar fi posibilă rotaţia continuă a conductorului cu curent în jurul unui magnet şi invers.

Pentru a verifica presupunerea, el a construit dispozitivul a cărui schemă este prezentată în Fig. 27. În două vase de sticlă, A şi B, era turnat mercur. În vasul A era introdus un magnet permanent C, al cărui capăt de sus plutea la suprafaţa mercurului, iar cel de jos era legat la conductorul de legătură D, astfel încât magnetul să se poată roti în jurul axei verticale. În vasul B era fixat vertical magnetul permanent E legat la conductorul de legătură F. Pe postamentul dispozitivului era fixat un suport ce susţinea conductorul G, al cărui capăt din stânga se atingea de suprafaţa mercurului din vasul A, iar de capătul din dreapta era suspendat conductorul H, al cărui capăt inferior se atingea de suprafaţa mercurului din vasul B şi care avea posibilitatea de a se roti în jurul axei verticale. La conectarea conductoarelor D şi F la sursa de curent se observa rotaţia po-lului superior al magnetului C în jurul Fig. 27

74 75

conductorului vertical, precum şi rotaţia simultană a capătului inferior al conductorului H în jurul magnetului fix E. În acest mod Faraday a demonstrat, cu ajutorul aceluiaşi dispozitiv, rotaţia polului magnetic în jurul conductorului parcurs de curent şi rotaţia conductorului cu curent în câmp magnetic. Ultimul fenomen a fost pus apoi la baza principiului funcţionării motorului electric.

După aproape zece ani de cercetări intense în domeniul electromagnetismului Faraday a realizat o descoperire epocală – fenomenul inducţiei electromagnetice.

Prima comunicare a sa despre descoperire a fost făcută la 24 noiembrie 1831 la Societatea Regală din Londra. Ea constituie prima serie a lucrării sale capitale „Cercetări experimentale de electricitate”. Deja în alineatul 3 Faraday scrie: „… pare extraordinar ca, întocmai după cum curentul electric este însoţit permanent de o tărie corespunzătoare a acţiunii magnetice, perpendiculară faţă de curent, să nu se producă tot aşa şi un curent indus în corpurile bune conducătoare de electricitate, care se află în sfera acestei acţiuni (magnetice) sau un efect sensibil al acestui curent”. Iar în alineatul următor: „Aceste consideraţii, cu consecinţa lor, speranţa obţinerii electricităţii din magnetismul obişnuit, m-au îndemnat de mult timp să cercetez experimental efectul inductiv al curenţilor electrici. În cele din urmă am ajuns la rezultate pozitive …”.

Într-adevăr, a trecut mult timp de la primele experimente din 1824 şi până la 29 august 1831, ziua în care Faraday a făcut în jurnalul său menţiunea istorică despre descoperirea fenomenului inducţiei electromagnetice. Experienţa respectivă este descrisă detaliat. Pe un inel din fier moale au fost înfăşurate două bobine din sârmă (Fig. 28). Capetele uneia din ele (numită ulterior secundară) au fost legate cu un conductor lung care, la distanţă mare de la inel, avea o porţiune orizontală, iar sub ea era plasat un ac magnetic. Cealaltă bobină

(primară) putea fi legată la o baterie Volta. Faraday menţiona că la închiderea circuitului primar acul magnetic devia imediat. Atât timp cât circuitul primar continua să fie închis, acul se afla în po-ziţia sa naturală ce corespundea lipsei curentului electric în bobina secundară. La întreruperea circuitului primar acul magnetic devia din nou, dar în sens con-trar celui din primul caz.Fig. 28

Seria experimentelor cu inelul din fier pe care erau înfăşurate două bobine independente are o însemnătate deosebită, deoarece acest dis-pozitiv nu numai că a permis să se obţină curenţi electrici induşi, ci con-stituie în acelaşi timp inventarea de către Faraday a transformatorului. Datorită acestor descoperiri importante statuia lui Faraday de la Socie-tatea Regală îl prezintă ţinând în mână inelul de fier.

A urmat apoi un şir întreg de experimente în care erau înregistraţi curenţii induşi. De exemplu, în locul inelului de fier moale, cu două bobine independente, el a folosit două bobine înfăşurate una peste alta pe un cilindru de lemn. S-au observat şi în acest caz curenţi induşi, dar abaterile acului magnetic erau mai mici decât în cazul experimentului descris mai sus.

Faraday a efectuat experimente şi cu magneţi permanenţi. La introducerea şi scoaterea magnetului din bobina legată la galvanometru (Fig. 29), acul lui devia în sensuri diferite. Deviaţia acului era mai mare atunci când magnetul era mişcat mai rapid. Faraday a realizat şi o variantă a acestui experiment, înlocuind magnetul permanent cu un electromagnet – o bobină conectată la o baterie electrică.

Faraday a obţinut curent elec-tric rotind un disc metalic între polii unui magnet în formă de potcoavă, la galvanometru fiind legate două conductoare: unul de la axa discu-lui şi al doilea – de la marginea lui. Acesta a fost primul model de ge-ne rator unipolar. Curentul electric a fost obţinut şi la mişcarea unei benzi metalice în câmp magnetic.

Schema unui alt gen de experimente este prezentată în Figura 30. O bobină B cu miez din fier avea capetele firului, din care a fost bobinată, legate cu conductoare din cupru la galvanometrul G. Doi magneţi permanenţi, C şi D, în formă de bare, au fost puşi în contact cu polii de nume diferite, n şi S, astfel încât să formeze un magnet de forma literei V, iar ceilalţi doi poli au cuprins între ei miezul de fier al bobinei. Astfel s-a

Fig. 29

Fig. 30

76 77

obţinut un jug de fier. La stabilirea contactului între polii ce nu se atingeau de miezul bobinei, acul magnetului devia, indicând prezenţa curentului electric în bobină. Atât timp cât aceşti poli rămâneau în contact, galvanometrul nu înregistra curent în bobină. La întreruperea contactului stabilit anterior acul magnetului devia din nou, dar în sens opus celui din cazul stabilirii contactului.

Faraday a efectuat aceste serii de experimente în cele mai diverse variante: bobinele aveau miez din fier, din cupru sau erau fără miez, înfăşurările lor aveau numere diferite de spire şi erau realizate în moduri diferite, bateriile Volta conţineau numere diferite de perechi de plăci cupru–zinc etc. Şi în toate aceste cazuri el reuşea să obţină curent electric indus, care producea o deviere mai mare sau mai mică a acului galvanometrului.

Fenomenul descoperit trebuia explicat. În această situație Faraday se afla însă în dificultate. Motivul era că pentru a furniza explicaţia trebuia, în primul rând, să fie elaborate concepţiile şi noţiunile fundamentale referitoare la fenomenele electrice şi magnetice. Însă, la acea vreme, majoritatea acestor „fundamente” lipseau.

Cugetând mult asupra rezultatelor obţinute, Faraday a formulat bazele ştiinţei despre câmpul electromagnetic, care joacă un rol de nepreţuit în fizica modernă. El a introdus noţiunea de linii de forţă. În alineatul 114 din lucrarea sa „Cercetări experimentale din electricitate” el scria: „Prin curbe magnetice se înţeleg liniile de forţă magnetice, oricare ar fi înfăţişarea lor, care depind de felul în care sunt situaţi polii. Sunt liniile indicate de pilitura de fier sau acelea pe care se aşază tangenţial ácele magnetice”. Acest alineat poate fi considerat un certificat de naştere al teoriei liniilor de forţă. Ele ies din polul nord, intră în polul sud şi se închid în interiorul magnetului.

Noţiunea de linie de forţă magnetică a permis să se formuleze legea inducţiei electromagnetice, care afirmă că ori de câte ori un conductor ce se mişcă întretaie liniile de forţă magnetică sau ori de câte ori un magnet ce se mişcă taie cu liniile sale de forţă un conductor, acesta devine sursă de electricitate. Evident, această formulare literală descrie fenomenul în mod calitativ, însă nu permite calcularea mărimilor fizice care îl caracterizează, adică nu determină intensitatea fenomenului.

Să aducem acum în discuţie formularea modernă a legii inducţiei electromagnetice a lui Faraday. După cum se ştie, câmpul magnetic este caracterizat de inducţia magnetică B

care determină forţa

ce acţionează asupra conductorului parcurs de curent din partea câmpului magnetic în care se află sau, ceea ce este echivalent, forţa ce acţionează asupra particulei încărcate cu sarcină electrică din partea câmpului magnetic în care ea se mişcă.

Să introducem noţiunea de flux magnetic Φ necesară pentru a formula legea sus-numită. Considerăm un câmp magnetic omogen, adică acelaşi în toate regiunile spaţiului, şi o suprafaţă plană de arie S situată perpendicular pe liniile de inducţie magnetică. În acest caz fluxul magnetic prin această suprafaţă Φ = B S, unde B este mărimea inducţiei magnetice. Dacă convenim să trasăm liniile de inducţie magnetică cu o aşa densitate încât suprafaţa cu aria de 1m2 să fie străpunsă de un număr de linii magnetice egal cu valoarea numerică a inducţiei B, atunci fluxul magnetic Φ este numeric egal cu numărul de linii care intersectează suprafaţa de arie S. Această interpretare a fluxului magnetic rămâne valabilă pentru orice câmp magnetic şi suprafeţe de forme diferite.

Analizându-se multitudinea de experimente ale lui Faraday, se constată că apariţia curentului electric indus are loc de fiecare dată când variază fluxul magnetic prin suprafaţa limitată de conductorul la care este unit galvanometrul. Experimentele diferă unul de altul prin modalitatea în care este realizată această variaţie a fluxului magnetic – prin variaţia curentului în bobina primară, prin deplasarea magnetului permanent sau a bobinei, prin închiderea sau întreruperea circuitului magnetic etc. Tensiunea electromotoare de inducţie (t.e.m.) 1i este determinată de viteza variaţiei acestui flux. Anume, dacă în intervalul de timp Δt variaţia fluxului magnetic prin suprafaţa limitată de conductor are modulul egal cu |ΔΦ|, atunci t.e.m. de inducţie ce ia naştere în el se exprimă prin formula 1i = UœФU§œt.

Aceasta este expresia matematică a legii inducţiei electromagnetice a lui Faraday.

Cercetările în acest domeniu, al inducţiei electromagnetice, au fost continuate în anul 1834. Willian Jenkin şi Antoine Masson i-au atras atenţia asupra faptului că la întreruperea circuitelor parcurse de curent electric se produc scântei. Faraday a realizat un ansamblu experimental care i-a permis să studieze detaliat fenomenele ce se observă la închiderea şi întreruperea circuitelor cu curent electric. El a constatat că în aceste condiţii are loc o formă specifică a inducţiei electromagnetice: variaţia fluxului magnetic care induce tensiune

78 79

electromotoare este provocată de curentul electric variabil ce circulă prin conductorul în care se induce această tensiune. Fenomenul în cauză a fost numit autoinducţie, iar tensiunea indusă – tensiune de autoinducţie. Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată de către fizicianul american Joseph Henry (1797–1878) în 1832, cu doi ani înaintea lui Faraday, dar acesta nu ştia nimic despre lucrările lui Henry. De menţionat că şi Henry descoperise inducţia electromagnetică la un an după Faraday, ale cărui rezultate nu-i erau cunoscute.

Descoperirea fenomenului inducţiei electromagnetice a permis să fie stabilită simetria uluitoare a fenomenelor electrice şi magnetice– mişcarea magnetului este însoţită de apariţia liniilor electrice închise în jurul lui, tot aşa după cum curentul electric (sarcinile electrice în mişcare) este înconjurat de linii magnetice închise. Această simetrie stă la baza teoriei clasice a câmpului electromagnetic ce a fost elaborată de un alt mare fizician, englezul James Clerk Maxwell (1831–1879).

Descoperirea inducţiei electromagnetice a deschis căi noi de dezvoltare a civilizaţiei umane. Fără această descoperire a lui Faraday ar fi fost imposibilă electrificarea tuturor domeniilor activităţii umane.

Pe vremea lui Faraday erau cunoscute mai multe feluri de electricitate:

a) obţinută prin frecare sau influenţă electrostatică (această electricitate era numită ordinară);

b) produsă cu ajutorul pilei electrice Volta, care prezintă o serie succesivă de cercuri din cupru şi din zinc separate între ele cu straturi de postav sau carton îmbibat cu o soluţie de apă sărată sau acid diluat (această electricitate era numită voltaică);

c) obţinută în baza efectului termoelectric (electricitatea se produce dacă cele două contacte ale celor două bare din metale diferite au temperaturi deosebite);

d) produsă prin inducţie electromagnetică;e) animală, produsă de unii peşti.În acei ani unii savanţi puneau la îndoială identitatea diferitor

feluri de electricitate. Pentru clarificarea situaţiei Faraday a efectuat o serie întreagă de experimente prin care a demonstrat că toate felurile de electricitate produc aceleaşi acţiuni – scântei, influenţă asupra acului magnetic, descompunere electrolitică, ceea ce i-a permis să scrie: „Concluzia generală ce trebuie s-o trag în urma acestor experimente este că electricitatea, oricare ar fi modalitatea de obţinere a ei, este identică.

Diferite fenomene electrice nu diferă prin caracterul lor, ci numai prin gradul în care ele se manifestă”.

Mai mulţi ani la rând, începând cu anul 1833, activitatea ştiinţifică a lui Faraday s-a desfăşurat numai în domeniul electrochimiei. Acţiunea chimică a fost una dintre primele acţiuni ale curentului electric ce a fost observată experimental. Astfel, Krüger în anul 1746 a decolorat petale roşii de mac cu scântei electrice de la o maşină de inducţie electrostatică, iar în anul 1789 olandezii Adrian Paets von Troostwijk (1752–1837) şi Johann Rudolf Diemann (1743–1808), efectuând un număr mare de descărcări electrice în apă, au reuşit s-o descompună în gaze – în „aerul arzător” şi „aerul vieţii”, cum erau numite atunci hidrogenul şi oxigenul. În anul 1800, cercetătorii englezi William Nicholson (1753–1815) şi Anthony Carlisle (1768–1840) au reuşit să descompună apa în oxigen şi hidrogen, lăsând să circule curentul electric printr-un tub cu apă astupat la capete cu dopuri de plută prin care treceau câte o sârmă ce făcea legătura cu o coloană Volta. La trecerea curentului prin soluţii au fost obţinute mai multe substanţe noi. Anume pe această cale Humphrey Davy (1778–1829) a descoperit unele din metalele alcaline. Fenomenul respectiv a fost numit electroliză.

Faraday şi-a propus să clarifice latura fizică a fenomenelor electrochimice. Iniţial a trebuit să introducă nomenclatura ştiinţifică respectivă. Până la Faraday se utiliza termenul pol cu atributele pozitiv şi negativ pentru a nota corpurile bune conducătoare de electricitate care erau introduse în substanţa ce se descompune şi sunt legate la sursa de electricitate. Paralel cu acest termen, Faraday propune utilizarea celui de electrod (electron şi odos – drum, din limba greacă). Prin acesta el înţelegea suprafaţa care limitează întinderea materiei descompuse în direcţia curentului electric. Această noţiune era necesară pentru a explica mecanismul descompunerii electrochimice.

Predecesorul său, fizicianul german Theodor Grotthuss (1785–1822), considera că descompunerea moleculelor are loc numai la poli sub acţiunea forţelor electrice. Faraday admitea însă că acest proces are loc în volum sub acţiunea câmpului electric care slăbeşte forţele de afinitate chimică a moleculelor. Teoria modernă neagă rolul curentului electric în descompunerea moleculelor. Această descompunere, numită disociaţie electrolitică, se datorează faptului că sub acţiunea solventului forţele de afinitate chimică se micşorează.

80 81

Forţele electrice însă pun porţiunile încărcate ale moleculelor în mişcare orientată. În prezent nu se mai face deosebire între termenii pol şi electrod. Tot Faraday a propus să se deosebească electrozii după polaritatea lor, cel pozitiv fiind numit anod (în greacă ano – în sus şi odos – drum), iar cel negativ – catod (cato – în jos).

Substanţele ale căror molecule la dizolvare se descompun în porţiuni încărcate au fost numite electroliţi. Când circulă curentul electric prin electroliţi, are loc separarea acestor porţiuni încărcate şi acumularea lor la electrozi. Porţiunile încărcate ce se mişcă spre anod au fost numite anioni (anion – cel care merge în sus), iar cele care se mişcă spre catod au fost numite cationi (cation – cel care merge în jos). Porţiunile încărcate au fost numite de asemenea ioni – un termen general comun.

Meritul lui Faraday în stabilirea nomenclaturii ştiinţifice este enorm.Pentru a stabili legităţile cantitative ale electrolizei, Faraday a avut

nevoie de un dispozitiv pentru determinarea cantităţii de electricitate care trece prin electrolit. El a folosit ideea fizicianului german Johann Wilhelm Ritter (1776–1810), care a acumulat cu ajutorul a două epru-bete plasate deasupra electrozilor hidrogenul şi oxigenul ce se degaja la descompunerea apei. Acesta a fost primul voltametru sau, cum mai este numit, coulombmetru. Faraday i-a perfecţionat construcţia (Fig. 31), pentru a acumula o parte cât mai mare din gazele degajate, ceea ce ar permite efectuarea unor măsurări cât mai exacte. Voltametrul se lega în serie cu aparatele electrolitice, iar cantitatea de electricitate se deter-mina după masa gazului acumulat la electrod în urma descompunerii apei. Această metodă a fost justificată de către Faraday printr-un şir de experimente.

În urma cercetărilor întreprinse, el a stabilit le gile electrolizei, legi ce astăzi îi poartă numele. Le vom prezenta în formula rea lor modernă.

Prima lege afirmă că masa m a substanţei care se depune pe electrod în

timpul t la trecerea curentului prin electrolit este proporţională cu intensitatea curentului I şi cu timpul, adică: m kIt= . Coeficientul de

Fig. 31

proporţionalitate k depinde de natura substanţei depuse la electrod şi este numit echivalent electrochimic. El are o semnificaţie fizică simplă: este numeric egal cu masa depusă pe electrod la traversarea electrolitului de o unitate de cantitate de electricitate ( 1CI t q⋅ = = ).

În conformitate cu legea a doua, echivalentul electrochimic este direct proporţional cu echivalentul chimic. Ultimul este definit ca raportul masei molare (sau atomice) a substanţei M la valenţa ei n. Expresia matematică a legii este:

1 MkF n

= ⋅ ,

unde coeficientul de proporţionalitate este notat cu 1/F. Mărimea F este numită constanta sau numărul lui Faraday.

Unind expresiile celor două legi, obţinem formula generalizată:1 1M Mm q ItF n F n

= = .

Observăm că numărul lui Faraday este numeric egal cu cantitatea de electricitate ce trebuie să traverseze electrolitul pentru ca masa substanţei depuse pe electrod că fie numeric egală cu echivalentul chimic. Numărul lui Faraday: 96 500 C / molF = .

Menţionăm că aceste formulări diferă de cele propuse de Faraday, care erau mai complicate, deoarece la vremea lui nu era introdusă unitatea de electricitate şi nici noţiunea de valenţă.

Faraday a prevăzut dezvoltarea intensă a industriilor ce vor avea la bază legile electrolizei. În prezent electroliza se aplică pe larg pentru extragerea unor metale din combinaţiile lor naturale, la acoperirea suprafeţelor metalice cu un strat subţire din alt metal – nichelare, cromare, argintare etc. – în scopul protejării contra coroziunii (galvanostegie), la obţinerea unor cópii de pe suprafeţele în relief (galvanoplastie).

Cugetând asupra fenomenului electrolizei, Faraday intuia că „atomii materiei sunt într-un fel oarecare înzestraţi sau asociaţi cu puteri electrice”, că „atomii corpurilor, care sunt echivalenţi unul cu altul în acţiunea chimică ordinară, au cantităţi egale de electricitate, asociată în mod natural cu ei”. Aceste afirmații intuitive s-au adeverit ulterior, ultima din ele referindu-se la sarcinile electrice ale ionilor. Menţionăm

82 83

că anume în baza legilor electrolizei a fost determinată pentru prima dată valoarea sarcinii electrice elementare.

Pe tot parcursul activităţii sale ştiinţifice Faraday a meditat asupra problemelor fundamentale ale electricităţii şi magnetismului. L-a preocupat, îndeosebi, problema acţiunii electrice. Majoritatea savanţilor erau adepţi ai concepţiei acţiunii la distanţă, pe baza căreia, prin calcule, au fost descoperite legi care corespundeau celor stabilite pe cale experimentală. Pentru a o combate, a fost necesară realizarea unor experimente care ar fi demonstrat influenţa mediului asupra acţiunii electrice.

Ca şi în alte cazuri, Faraday a inventat dispozitive speciale, în cazul de faţă – un condensator sferic de o construcţie deosebită (Fig. 32). Armăturile lui prezentau două suprafeţe sferice concentrice de alamă. Armătura exterioară era formată din două emisfere. Emisfera inferioară (a) era fixată pe un picior din material izolator ce avea în interiorul său un canal dotat cu robinet (r). Emisfera superioară (b) susţinea un mâner izolator (c) care avea fixată în partea de jos sfera de alamă (d) ce prezenta armătura interioară a condensatorului, iar în partea de sus avea fixată o bilă metalică (e) unită printr-un

conductor cu sfera interioară (d). Această construcţie a condensatorului permitea intro- ducerea între armăturile lui a unui strat izo- lator de grosime constantă, în diferite stări de agregare: solidă, lichidă şi gazoasă.

În experimentele sale Faraday folosea câte două condensatoare de acest fel, identice. Un condensator era încărcat de la o maşină de inducţie electrostatică, iar pentru a asigura unul şi acelaşi grad de încărcare la repetarea experimentelor, mânerul acesteia era rotit de unul şi acelaşi număr de ori.

O serie de experimente a fost efectuată cu condensatoare între armăturile cărora era aer. Un condensator era încărcat după ce era legat în paralel cu al doilea condensator, descărcat. Astfel a stabilit că sarcina electrică a con-densatorului încărcat s-a înjumătăţit. O altă situaţie s-a constatat în cazurile în care între

armăturile unuia dintre condensatoare este introdus un izolator: sarcina electrică nu se mai diviza în părţi egale, condensatorul cu izolator avea o sarcină mai mare decât cel cu aer, adică izolatorul avea capacitatea de a reţine sarcinile electrice.

Faraday a propus o altă denumire pentru izolator. La şedinţa Societăţii Regale din 30 noiembrie 1837 el a folosit pentru prima dată termenul dielectric (dia – prin, din limba greacă) pentru a marca proprietatea lui de a transmite acţiunea electrică, chiar dacă nu conduce curentul electric. Această proprietate a fost caracterizată cu mărimea fizică pe care a numit-o capacitate inductivă specifică şi care în prezent se numeşte permitivitate. Valorile obţinute de Faraday erau mai mici decât cele ale materialelor folosite astăzi.

În semn de recunoştinţă a meritelor lui Faraday în domeniul cercetării condensatoarelor cu dielectrici unitatea de capacitate electrică a primit numele de farad cu simbolul F: un farad este capacitatea electrică a condensatorului care la tensiunea electrică dintre armăturile lui egală cu un volt acumulează o sarcină electrică de un coulomb (1 F = 1 C/V).

Cercetând curentul electric prin gazele rarefiate, Faraday a făcut o descoperire pe care a expus-o în lucrarea „Descărcări întunecate”(1838). În ea este descris experimentul respectiv: „Fenomenul poate să fie bine ob-servat la descărcările făcute cu tensiuni foarte mari. Două vergele de alamă au fost introduse în părţile opuse ale unui glob de sticlă. Capetele lor erau în contact. Aerul a fost mult rarefiat. S-a descărcat apoi electricitatea unei maşini de electrizare prin ele şi s-au îndepărtat capetele vergelelor. În mo-mentul separării, s-a văzut o strălucire continuă la capătul vergelei negative, pe când terminaţia vergelei pozitive rămânea cu totul întunecată. Când distanţa a fost mărită, un curent, sau ceaţă purpurie, a apărut la capătul vergelei pozitive, lungindu-se pe măsură ce intervalul se mărea. Această ceaţă nu atinge însă niciodată strălucirea negativă. rămânea mereu un mic spaţiu întunecat între ele. Era ciudat de văzut cum ceaţa purpurie pozitivă se micşora, sau se lungea, după cum capetele erau apropiate, sau îndepărtate, pe când spaţiul întunecat şi strălucirea negativă rămâneau ne-schimbate”. Acest spaţiu întunecat poartă numele lui Faraday.

În anul 1822 atenţia lui Faraday a fost atrasă de problema existenţei unei legături între fenomenele luminoase şi cele magnetice. Ea a fost soluţionată mai târziu, abia în anul 1845, când erau deja cunoscute şi in-terpretate fenomenele optice importante care puteau argumenta natura ondulatorie a luminii.Fig. 32

84 85

În anul 1678, la Academia de Ştiinţe din Paris, savantul olandez Christian Huygens (1629–1695) a expus bazele teoriei sale referitoare la lumină: aceasta prezintă unde care se propagă în eter – un mediu care umple tot spaţiul şi care posedă proprietăţi elastice deosebite. Se considera că aceste unde sunt longitudinale, analogice undelor sonore în aer. În baza acestui concept au fost explicate interferenţa şi difracţia luminii, ceea ce a fost un succes incontestabil al teoriei. Ulterior a fost descoperită polarizarea luminii, care a putut fi explicată numai considerând că undele de lumină sunt transversale, adică oscilaţiile eterului sunt perpendiculare pe direcţia propagării undei. Dacă în lumina naturală oscilaţiile au loc în orice plan care trece prin direcţia propagării undei, în lumina polarizată liniar, numită şi plan-polarizată, oscilaţiile se produc numai într-un plan, în planul de polarizare. Au fost elaborate metode şi au fost inventate dispozitive – polarizoare – care permit obţinerea luminii polarizate din cea naturală. Aceste dispozitive sunt utilizate şi la analiza stării de polarizare a luminii – în acest caz ele sunt numite analizoare.

Pentru a depista influenţa magnetismului asupra luminii, Faraday a construit o instalaţie originală. A folosit un electromagnet care permitea cercetarea luminii ce se propagă în direcţia liniilor magnetice. A plasat în calea luminii un polarizor şi un analizor, între care introducea substanţele cercetate. Lumina ieşită din polarizor era polarizată liniar, iar starea de polarizare a luminii emergente (care ieşea) din substanţă era cercetată folosind analizorul. Astfel a stabilit că magnetismul nu influenţează lumina ce se propagă prin aer. Polarizarea luminii ce trece printr-o prismă din sticlă grea (un gen de sticlă care conţine silicat şi borat de plumb) nu se modifică în lipsa magnetismului. O situaţie deosebită se observa la propagarea luminii polarizate prin sticla grea în prezenţa câmpului magnetic – planul de polarizare a luminii se rotea în jurul liniilor magnetice. Au fost efectuate experimente în care lumina polarizată se propaga prin diferite substanţe: apă, zahăr, ulei de terpentină ş.a., însă în aceste substanţe efectul era mai puţin pronunţat. Fenomenul descoperit – rotaţia magnetică a planului de polarizare a luminii – a căpătat ulterior denumirea de efectul Faraday.

Efectul a fost explicat de către Faraday prin aceea că magnetismul modifică proprietăţile substanţei care, la rândul său, influenţează propa-

garea luminii prin ea, rotindu-i planul de polarizare. Aceste rezultate au fost comunicate la şedinţa Societăţii Regale din 20 noiembrie 1845. Astfel a fost fondată o nouă ramură a fizicii – magnetooptica.

Descoperirea efectului Faraday a fost o primă demonstraţie directă a existenţei legăturii dintre fenomenele optice şi cele electromagnetice. Ea a impulsionat cercetările ştiinţifice asupra acestei legături, conducându-l pe Maxwell la elaborarea teoriei electromagnetice a luminii.

În anii următori Faraday a efectuat cercetări sistematice asupra proprietăţilor magnetice ale substanţelor. Metoda experimentală era bine cunoscută de la predecesorii săi: o bară suspendată orizontal de un fir de mătase era introdusă între polii unui magnet puternic. Substanţa din care era confecţionată bara ce se orienta în direcţia linii lor magnetice era numită magnetică. Dacă însă bara se situa perpendicu-lar pe liniile magnetice – substanţa era numită diamagnetică.

Faraday a stabilit că majoritatea substanţelor cercetate erau diamagnetice (sau nemagnetice). Din această categorie fac parte: pâinea, carnea, fructele şi legumele, precum şi un număr însemnat de metale: argintul, cuprul, mercurul, plumbul, staniul ş.a. Din categoria substanţelor magnetice fac parte: fierul, cobaltul şi nichelul, caracterizate de un magnetism puternic; ulterior, aceste substanţe au fost înglobate într-o clasă specială – aşa-numiţii feromagnetici. Celelalte substanţe magnetice au fost numite paramagnetice. De exemplu: hârtia, asbestul, tuşul, etilena, oxigenul, cromul, cuprul, fosforul, titanul ş.a.

În urma analizei rezultatelor obţinute, Faraday a concluzio-nat că substanţele paramagnetice înlesnesc trecerea prin ele a lini-ilor magnetice, a căror densitate în interiorul corpului se măreşte (Fig. 33, a). În substanţele diamagnetice situaţia este inversă – liniile magnetice sunt mai puţin dense (Fig. 33, b), acestea se opun pătrunderii liniilor magne tice în ele. Cercetări-le proprietăţilor magnetice ale substanţelor au fost ex-puse la 28 noiembrie 1850 la Socie tatea Regală. Fig. 33

86 87

În ultimii ani de activitate ştiinţifică Faraday a făcut unele consideraţii teoretice căutând să pătrundă mai adânc în esenţa problemelor studiate. Astfel, în legătură cu magnetizarea fierului, el a scris: „Fiecare din particulele interioare ale fierului devin, într-un grad oarecare, producătoare de magnetism, aşa încât polaritatea lor adunată şi combinată împreună este aceea care formează polaritatea lor totală.” Această idee a fost pusă ulterior la baza teoriei feromagnetismului.

În comunicarea cu titlul „Despre posibila legătură dintre gravitate şi electricitate” este formulat un crez al lui Faraday: „Convingerea îndelungată şi constantă că toate forţele naturii sunt legate între ele, având o origine comună, adică sunt diferite manifestări fundamentale, m-au făcut să mă gândesc deseori la găsirea legăturii dintre gravitaţie şi electricitate, cu ajutorul experienţelor”. El nu a reuşit să găsească această legătură, după cum nu s-a reuşit nici până azi.

Faraday a manifestat o atitudine conştiincioasă faţă de toate obligaţiile sale. Uneori efectua sute şi sute de experienţe până obţinea rezultate care erau apoi aduse la cunoştinţa celor interesaţi, savanţilor. Activa în acord cu deviza „Munceşte, desăvârşeşte, publică!”, pe care a afişat-o în laborator. Munca lui a fost comparată cu cea a unui turist care cântă voios pe vârful unui munte şi nimeni nu ştie câte pericole a trebuit să înfrunte ca să ajungă acolo, escaladând stâncile primej-dioase.

Luând cunoştinţă de rezultatele ştiinţifice ale lui Faraday, ne dăm seama de munca enormă depusă de el. Aceasta n-a putut să nu-i influenţeze sănătatea şi de aceea a fost nevoit să facă câteva întreruperi îndelungate în activitatea sa. Ultimii ani de viaţă i-a petrecut într-o casă pusă la dispoziţie de regina Angliei, în marele parc „Humpton Court”. S-a stins din viaţă la 25 august 1867, la 76 de ani.

Faima descoperirilor lui Faraday s-a răspândit în toate colţurile lumii. Academiile şi societăţile ştiinţifice din diferite ţări l-au ales membru de onoare, iar universităţile i-au acordat titlul de doctor honoris causa. Astăzi noţiunile şi terminologia introduse de el, experienţele sale, legile stabilite sunt incluse în manualele de fizică pentru gimnazii, licee şi universităţi. Elevii şi studenţii cunosc numele celui care prin lucrările sale a contribuit în mod determinant la dezvoltarea fără precedent a industriei în secolul al XIX-lea şi a făcut

ca secolul respectiv să intre în istoria civilizaţiei umane sub numele simbolic de secol al electricităţii. Civilizaţia zilelor noastre nu ar putea fi concepută fără contribuţiile genialului Michael Faraday.

În semn de mare recunoştinţă pentru aportul la dezvoltarea ştiinţei şi, pe această cale, la proslăvirea Angliei, în anul 1973 Banca Angliei a pus în circulaţie o bancnotă cu valoarea de 20 lire sterline pe care este imprimată imaginea lui Faraday (Fig. 34).

Fig. 34

88 89

Joseph Henry(1797–1878)

În America de Nord, primele cercetări în domeniul fizicii au fost efectuate de către Benjamin Franklin (1706 –1790). Prin experimente cu un zmeu, lansat în timpul unor fur-tuni, a demonstrat natura electrică a trăsnetului şi a descoperit fenomenul de scurgere a electricităţii prin vârfuri metalice ascuţite, ceea ce i-a permis

să inventeze paratrăsnetul. Pentru cele două feluri de electricitate, numite până la el sticloasă şi răşinoasă, a propus alte denumiri – electricitate pozitivă (cu simbolul +) şi negativă (cu simbolul –), denumiri ce s-au înrădăcinat în fizică. Franklin a fost un mare om de stat al Americii: unul din cei trei coautori ai Declaraţiei de Independenţă a SUA, primul ambasador al SUA în Europa. Chipul său este imprimat pe bancnota de 100 dolari SUA, posibil şi pentru meritele sale în fizică.

Al doilea mare fizician american, în ordine cronologică, după Franklin, este Joseph Henry, născut la 17 decembrie 1797 în Albany– oraşul principal al statului New York. Copilăria şi-a petrecut-o împreună cu sora sa la bunica după mamă într-un sat la circa 60 km de la Albany. Şi-a început învăţătura la şcoala din sat, făcând, în acelaşi timp, diferite servicii la un comerciant din localitate. Era pasionat de lectură şi citea cele mai diferite cărţi la care avea acces.

În anul 1811, când avea doar 14 ani, i-a decedat tatăl, William, care fusese cărăuş. Mama sa, Ann, şi-a adus copiii la Albany. Joseph a fost angajat ucenic la un meşter ceasornicar şi argintar, unde nu prea era încântat de cariera ce i se preconiza, dar deprinderile formate în acei ani de ucenicie i-au fost utile ulterior la efectuarea experimentelor fizice. Concomitent a fost membru al trupei unui teatru de amatori, în care a manifestat calităţi actoriceşti înalte, a jucat în mai multe roluri principale, inclusiv cel al lui Hamlet. Henry era în faţa unei dileme ce viza alegerea carierei. Prietenii l-au sfătuit să nu prefere actoria, ci ştiinţele naturale, şi el le-a urmat sfatul.

Nu s-a păstrat vreun document care să certifice că, în acei ani, ar fi continuat să studieze la vreo şcoală. Însuşi Joseph se considera autodidact, asemenea altor mari fizicieni care au activat în acelaşi timp. Citea mult, nu numai operele clasicilor literaturii engleze, ci şi lucrări ştiinţifice, printre care „Lecţiile de fizică experimentală, astronomie şi chimie” de George Gregory şi „Cursul de lecţii de fizică şi mecanică” al ilustrului fizician englez Thomas Young (1773–1829), unul din creatorii teoriei ondulatorii moderne a luminii.

Începând cu anul 1819, J. Henry a învăţat la Academia din Albany, dar nu există documente care ar confirma absolvirea ei. În acelaşi timp activa şi în calitate de profesor la domiciliu; s-au păstrat unele din caietele lui care conţin rezolvări ale problemelor de trigonometrie analizate cu discipolii săi.

La 5 mai 1824 a avut loc Adunarea Constituantă a Institutului din Albany, la care a participat şi Henry. La scurt timp, în octombrie a aceluiaşi an, Henry a prezentat o comunicare la acest institut despre acţiunile chimice şi fizice ale aburului, însoțind-o şi cu unele experimente. La aceeaşi şedinţă, un alt participant a făcut o expunere a istoriei motoarelor cu abur şi a fost demonstrată funcţionarea unui model de motor. Tematica şedinţei a fost determinată de faptul că problema aburului era foarte actuală, deoarece între New York şi Albany circulau deja corăbii având motoare cu abur şi, nu de puţine ori, cazanele acestora explodau. Să semnalăm o coincidenţă izbitoare: tot în anul 1824, savantul francez Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) a publicat lucrarea fundamentală „Cugetări despre forţa motrică a focului şi maşinile ce pot dezvolta această forţă”, în care erau analizate principiile de funcţionare a motoarelor termice şi căile de majorare a randamentului lor.

O lună mai târziu Henry a făcut o a doua comunicare, „Obţinerea frigului prin rarefierea aerului”, şi a însoţit-o cu demonstrarea funcţionării unei instalaţii de laborator. În aprilie 1825 a expus rezultatele cercetărilor sale într-un alt domeniu, cel al chimiei: a analizat probele de bariu sulfurat, descoperite în vecinătatea oraşului. A participat şi la cercetări topografice, la proiectarea unei şosele care, în cele din urmă, nu a fost construită după respectivul proiect, dar materialele investigaţiilor sale au fost publicate. Din cele expuse constatăm că, în acei ani, Henry era în căutarea unei teme ştiinţifice căreia să i se consacre cu toată energia sa şi care să îi aducă o anumită notorietate.

90 91

În aprilie 1826 i s-a propus postul de profesor de matematică şi fizică la Academia din Albany, propunere care a fost acceptată. În decursul anilor el a predat geometria, algebra, trigonometria, geografia fizică, astronomia, bazele matematicii superioare, a efectuat sistematic observaţii meteorologice, a fost responsabil de completarea laboratoarelor cu utilajul necesar.

În iunie a aceluiaşi an Henry a vizitat Academia Militară din West Point, unde a urmărit renumita experienţă a lui hans Christian oersted (1777–1851) – acţiunea curentului electric asupra acului magnetic aflat în vecinătatea sa. A rămas impresionat de cele observate şi în perioada următoare a început cercetări în domeniul electromagnetismului. În aprilie 1829 a anunţat că intenţionează să construiască un electromagnet puternic. William Sturgeon construise în Anglia un electromagnet în formă de potcoavă, al cărui miez de fier era acoperit cu un înveliş izolator pe care era înfăşurată o bobină dintr-un strat de sârmă de cupru neizolată. Acest electromagnet ridica corpuri cu masa de până la 3,6 kg.

Electromagnetul cu masa de circa 10 kg, construit de Henry în 1830, ridica corpuri cu o masă de până la 325 kg. Către ianuarie 1831 a construit un electromagnet şi mai mare ce ridica corpuri cu mase de circa 1 000 kg. La construirea acestor magneţi Henry a folosit, pentru prima dată, bobine ce aveau mai multe straturi de sârmă din cupru izolate cu mătase, înfăşurate în acelaşi sens şi legate între ele. În acest mod se amplifica acţiunea magnetică a curentului electric. Electromagneţii au început să fie utilizaţi în industrie, la separarea minereului de fier. Acesta a fost unul dintre primele cazuri de aplicare în practică a electricităţii.

În perioada respectivă se făceau încercări de a obţine mişcare mecanică utilizând surse chimice de energie electrică. Cercetările se

efectuau în două direcţii: motoare cu mişcare de rotaţie şi motoare cu mişcare de du-te-vino, de tipul celei efectuate de pistonul motorului cu abur.Fig. 35

Primul model de cel de al doilea tip a fost construit de către Henry. Schema lui este prezentată în Fig. 35. Electromagnetul-cumpănă 1 se poate roti uşor în jurul axului orizontal 2 care trece prin centrul său de greutate, axul fiind fixat pe o coloană verticală de lemn. Cele două bobine, înfăşurate pe câte o jumătate a cumpenei, aveau capete rigide 3 ce se aflau la distanţe mici deasupra unor cupe cu mercur 4 legate la bornele surselor de curent. Capetele electromagnetului-cumpănă 5 erau încovoiate în jos şi sub ele, la circa 25 mm, se aflau fixaţi magneţi verticali 6. Dacă prin bobină circula curent electric, polul magnetic de la capătul cumpenei era de acelaşi nume cu polul de sub el.

Cumpăna era înclinată într-o parte. Astfel se realiza contactul electric cu sursa din acea parte, polul magnetic de la capătul respectiv al electromagnetului era respins de magnetul de sub el şi se ridica. Contactul cu sursa electrică din această parte era întrerupt, dar se stabilea contactul cu sursa din partea opusă, polii magnetici corespunzători se respingeau şi mişcarea cumpenei se repeta.

În acest mod Henry a reuşit să obţină până la 75 de balansări într-un minut ale cumpenei-electromagnet. Mişcarea dura mai multe ore în şir, fără a se adăuga acid în sursele de curent.

Despre descoperirea sa Henry scria: „Eu nu acord mare importanţă acestei invenţii, deoarece în această etapă ea este doar o jucărie fizică; dar nu este exclusă posibilitatea că, în urma dezvoltării ulterioare a principiului în cauză în forma actuală sau întrucâtva modificat, invenţia va putea fi aplicată în unele scopuri practice. Însă, indiferent de importanţa practică a invenţiei, ea … este interesantă din punct de vedere ştiinţific ca manifestare a unui efect nou al uneia din cele mai enigmatice forţe ale naturii.”

Mecanisme de acest gen au fost de asemenea construite în Italia şi Marea Britanie, în unele din ele mişcarea de du-te-vino era transformată în mişcare de rotaţie, au fost construite şi primele motoare electromagnetice cu mişcare de rotaţie. În anii respectivi erau utilizate surse chimice de curent şi obţinerea cu ajutorul lor a mişcării mecanice era mult mai scumpă decât folosind motoare cu abur.

Henry a continuat investigaţiile sale în domeniul electromag-netismului. La 28 iunie 1832 el scria unui prieten: „Zilele acestea am reuşit să realizez cu succes un experiment foarte interesant, obţinând scântei electrice din magnetism. Eu sper că voi reuşi să topesc o sârmă din platină aplicând acest principiu”. În iulie a aceluiaşi an a şi publicat articolul „Despre producerea curenţilor şi a scânteilor din magnetism”.

92 93

În această lucrare, după cum reiese şi din titlul ei, Henry a (re)descoperit fenomenul cunoscut în prezent sub numele de inducţie electromagnetică, fenomen ce fusese descoperit pentru prima dată de către celebrul fizician englez Michael Faraday (1791–1867) cu circa 10 luni mai devreme decât Henry, în august 1831. La momentul efectuării experimentelor sale Henry nu ştia nimic despre lucrările lui Faraday; a aflat despre ele abia în toamna anului 1832.

Experimentele lui Henry erau deosebite de cele ale lui Faraday. Dacă dispozitivul de bază la Faraday era solenoidul, la Henry – era electromagnetul. Argumentul în favoarea acestei alegeri era posibilitatea modificării acţiunii magnetice, chiar şi la schimbarea cu locurile a polilor magnetici, prin variaţia curentului electric ce alimenta electromagnetul.

Instalaţia lui Henry prezenta un electromagnet în formă de potcoavă ce ridica corpuri cu masele de circa 300-350 kg. Polii lui atrăgeau o bară din fier pe care era înfăşurată, în mai multe straturi, o bobină de sârmă izolată. Bobina era unită cu un galvanometru prin două conductoare cu lungimile de circa 12 m, pentru a minimaliza influenţele secundare asupra galvanometrului. La conectarea bateriei galvanice cu bobina electromagnetului, acul galvanometrului se abătea într-un sens, iar la deconectare – în sens opus. Henry a observat abaterea acului şi atunci când bara din fier era deplasată faţă de electromagnetul deconectat de la bateria galvanică, ceea ce se explică prin magnetismul remanent al electromagnetului. Henry a descris încă un şir de alte experimente care aveau mici deosebiri faţă de cel de bază.

În partea finală a articolului, el scrisa: „Dacă polii unei baterii mici sunt uniţi cu o sârmă de cupru cu lungimea de circa 0,3 m (în lucrare lungimile sunt indicate în unităţi utilizate în acei ani în Anglia), atunci la închiderea sau întreruperea circuitului nu se observă nicio scânteie, dacă însă sârma scurtă este înlocuită cu una de circa 9–10 m, atunci chiar dacă la închiderea circuitului nu se observă nicio scânteie, la întrerupere … se observă o scânteie puternică. Dacă acţiunea bateriei va fi foarte puternică, scânteia se va observa şi în cazul sârmei scurte … Înfăşurarea sârmei în formă de spirală se pare că amplifică întrucâtva efectul; ultimul depinde, într-o oarecare măsură, de lungimea sârmei. Eu pot explica aceste fenomene numai presupunând că sârma lungă se încarcă cu electricitate, care la întreruperea circuitului, în urma acţiunii asupra ei înseși, formează scânteia”. Acest pasaj atestă faptul că Henry

a descoperit autoinducţia şi extracurenţii şi a identificat factorii care determină inductanţa circuitului.

Autoinducţia a fost redescoperită, independent, în toamna anului 1834 de către William Jenkin şi Antoine Masson şi cercetată, de asemenea, de către Faraday.

Începând cu toamna anului 1832, Henry activează la Colegiul din Princeton, ulterior devenit renumita Universitate Princeton. El a fost primul profesor de fizică al acestei instituţii şi îndeplinea nu numai obligaţiunile didactice, dar şi pe cele de cercetător. Acorda multă atenţie experimentului demonstrativ, a modernizat cabinetul de fizică, pentru care a procurat aparate noi. Henry actualiza prelegerile sale utilizând ultimele rezultate ştiinţifice din domeniu.

La Princeton a continuat cercetările în domeniul electromagnetis-mului. A construit o baterie galvanică de dimensiuni mari (era formată din 88 de elemente ale căror plăci de zinc aveau dimensiunile de 230 x 305 mm) şi a utilizat-o la observarea curenţilor de inducţie.

În toamna anului 1834 a experimentat, primul, cu bobine plane de inductanţă. Ele erau construite din fâşii de cupru cu lăţimi de 12 şi 37 mm şi lungimi de 30 şi, respectiv, 20 m, acoperite cu ţesătură de mătase, similare arcelor spiralate de ceasornic, iar diametrul lor atingea 1,5 m (Fig. 36). Efectele obţinute cu aceste bobine erau mai pronunţate decât cele în care erau folosiţi solenoizi din sârmă. În unul din experimente a plasat bobina plană într-o cameră, iar solenoidul în care era introdus un ac de oţel în alta, de cealaltă parte a unui perete de cărămidă. A observat că scânteia obţinută la întreruperea curentului în bobină magnetizează acul. Astfel era înregistrată inducerea curentului electric în solenoid.

Henry a construit o bobină bifilară (o bobină în două straturi cu înfăşurările în sensuri opuse), demonstrând ex-perimental şi explicând teoretic lipsa curentului de inducţie în ea.

În anul 1836 a făcut o călătorie de 8 luni în Europa, pe parcursul căreia a vizitat Anglia, Franţa, Belgia şi Scoţia. Scopul călătoriei a fost Fig. 36

94 95

familiarizarea cu centrele ştiinţifice, cu savanţii care activează în ele, cu cercetările lor şi cu utilajul folosit, precum şi procurarea de utilaje de care America ducea lipsă.

La Londra cele mai multe şi utile discuţii le-a avut, după cum şi era de aşteptat, cu Faraday. Au analizat situaţia din domeniul electromagnetismului. Henry a efectuat unul din experimentele sale care nu-i reuşea lui Faraday. Se spune că după aceasta Faraday ar fi exclamat: „Experimentului efectuat de acest yanky, ura!” Henry a asistat la câteva prelegeri ale lui Faraday. Ei au călătorit împreună pe prima cale ferată, de 40 km, care unea Londra cu Birmingham.

La Londra s-a întâlnit de asemenea cu John Frederic Daniel (1790–1845), care a construit primul element galvanic stabil, şi cu Charles Wheatstone (1802–1880), care a propus o metodă de măsurare a rezistenţelor (puntea Wheatstone). Aceşti doi savanţi l-au ajutat pe Henry să efectueze experimente în care scânteile erau obţinute utilizând o sursă termoelectrică de curent. A avut întrevederi cu Robert Brown (1773–1858), vestit prin observarea mişcării haotice a particulelor de polen aflate în lichid, cu Charles Babbage (1773–1858) – inventatorul unei maşini de calcul, precursoare a calculatoarelor moderne.

În Franţa, la Paris, la cunoscut pe François Dominique Jean Arago (1786–1853), care a realizat vaste cercetări în domeniul opticii, pe Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850), vestit prin cercetarea proprietăţilor gazelor şi legea ce-i poartă numele, pe Antoine César Becquerel (1778 – 1878), care a cercetat piezoelectricitatea (electrizarea cristalelor sub acţiunea forţelor exterioare). Tot aici l-a întâlnit şi pe savantul italian Macedonio Melloni (1798–1854) – cercetătorul radiaţiei termice invizibile (razelor infraroşii).

În Scoţia, la Edinburgh, s-a întâlnit cu David Brewster (1781–1868), care a cercetat polarizarea luminii prin reflexie, a inventat polarimetrul şi caleidoscopul.

Simpla enumerare a savanţilor cu care s-a întâlnit şi a diversităţii de probleme discutate cu ei arată interesul lui Henry pentru fizică în general. Aici el a purtat discuţii de care era lipsit în America, unde cercetările în domeniul fizicii erau într-o fază incipientă.

În anul 1840 a început să studieze descărcarea buteliei de Leyda (a condensatorului) într-un circuit ce conţinea un solenoid. Pentru a cerceta magnetismul din solenoid, a introdus în interiorul acestuia un ac subţire de oţel. A efectuat sute de experimente şi în multe

din ele a observat schimbarea cu locurile a poziţiilor polilor magnetici de la capetele ácelor de oţel. Henry a tras concluzia că descărcarea electrică a condensatorului prin solenoid are caracter oscilatoriu.

Rezultatele respective au fost publicate în iunie 1842. Henry scria: „Descărcarea, independent de natura ei, dacă folosim, pentru comoditate, teoria lui Franklin, nu prezintă o trecere singulară a fluidului imponderabil de la o armătură la alta; fenomenul ne impune să admitem existenţa descărcării principale într-un sens, apoi a unei serii de reîntoarceri înainte şi înapoi, fiecare din ele fiind mai puţin intensă decât cea precedentă, şi astfel, până nu se realizează echilibrul.” În această lucrare pentru prima dată au fost descrise clar oscilaţiile electrice pe care le-a descoperit, precum şi metoda de excitare a lor.

Cercetările oscilaţiilor descoperite de Henry au fost continuate de mai mulţi savanţi. În această ordine de idei poate fi menţionat fizicianul german Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821–1894), care în lecţia „Conservarea forţei vii” (în prezent cunoscută cu denumirea de energie cinetică), ţinută în iulie 1847 în faţa studenţilor berlinezi, descrise descărcarea buteliei de Leyda folosind un limbaj apropiat de cel al lui Henry. Helmholtz menţiona că descărcarea „nu prezintă o mişcare simplă într-un unic sens, ci o mişcare încolo şi încoace între armături, adică oscilaţii, care tot mai mult şi mai mult se micşorează până ce forţa vie va fi nimicită de suma rezistenţelor”. În anul 1853 savantul englez William Thomson (1824–1907), adică lordul Kelvin de mai târziu, a propus o formulă pentru perioada acestor oscilaţii în funcţie de capacitatea electrică a condensatorului şi de inductanţa solenoidului, în prezent cunoscută cu denumirea de formula lui Thomson. În anul 1887 germanul Heinrich Rudolf Hertz (1857–1894) a publicat lucrarea „Despre oscilaţiile electrice foarte rapide”, în care a propus o construcţie foarte reuşită a unui generator de unde electromagnetice (vibratorul Hertz) şi a elaborat metoda de înregistrare a lor (rezonatorul Hertz). În anul următor a realizat experimentele corespunzătoare şi a demonstrat existenţa reală a undelor electromagnetice, confirmând astfel prezicerile teoretice ale lui James Clerk Maxwell (1831–1879). Astfel, descoperirea lui Henry a beneficiat de o binemeritată continuitate.

Henry era un adept al experimentelor cu instalaţii de dimensiuni mari, în care efectele studiate să fie vizibile pentru asistenţă. Astfel, în ianuarie 1844, a suspendat de podul unui laborator, prin fire de mătase,

96 97

un conductor de cupru cu diametrul de 2,5 mm având forma unui dreptunghi cu laturile de 18 şi 9 m. Sub el, în subsol, a fost plasat un conductor similar. Atunci când conductorul superior a fost conectat la o maşină magnetoelectrică ce producea scântei, în cel inferior era indus curent electric suficient pentru magnetizarea ácelor de oţel. El a repetat experimentul în curtea colegiului la o distanţă dintre conductoare de circa 90 m şi a obţinut acelaşi efect.

A realizat experimente în care utiliza scântei electrice naturale – descărcările electrice sub formă de fulgere sau trăsnete. El a introdus în conductorul paratrăsnetului o bobină cu ac de oţel în interior şi a înregistrat magnetizarea lui sub acţiunea fulgerelor ce se produceau la distanţe de până la 30 km.

În anii următori Henry a desfăşurat o activitate organizatorică deosebită, fiind antrenat în activitatea diferitor comisii ce vizau soluţionarea unor probleme practice concrete. A fost ales membru al Institutului Naţional pentru Dezvoltarea Ştiinţei în 1840 – anul înfiinţării lui.

Savantul englez James Smithson (1765–1829), cu lucrări în do-meniul chimiei şi mineralogiei, a întocmit, cu 3 ani înainte de a muri, un testament prin care dona toată averea sa (considerabilă) guvernului SUA, în scopul înfiinţării unui institut care să-i poarte numele şi care să aibă menirea de a aprofunda cunoştinţele şi de a le răspândi apoi în rândurile populaţiei. Considera că anume în acest mod va aduce un mai mare folos omenirii. În anul 1846 Congresul SUA a adoptat decizia de a crea Institutul Smithsonian. Primul director-secretar al institutului, ales la 3 decembrie 1846, a fost Joseph Henry, care l-a condus aproape 30 ani. Era prevăzut ca în cadrul lui să activeze trei secţii: ştiinţele fizice (ştiinţele naturale, etnografia şi arheologia, ştiinţele agronomice şi tehnice), etica şi ştiinţele politice, literatura şi artele frumoase. Institutul a avut un aport considerabil la dezvoltarea acestor domenii ale activităţii umane. El activează şi în prezent, având în componenţa sa Muzeul Naţional de Istorie Naturală, Muzeul Naţional de Zoologie, Galeria Naţională de Artă, Muzeul Naţional al Aerului şi Spaţiului, Observatorul Astrofizic Smithsonian ş.a.

Henry acorda o atenţie permanentă dezvoltării meteorologiei, care l-a pasionat pe parcursul întregii vieţi. Astfel, în anul1828 a înregistrat temperaturile medii ale aerului în diferite localităţi ala statului New

York, în anul 1831 a observat, primul în America, perturbaţiile acului magnetic în timpul aurorei boreale. Mai târziu, în anul 1833, la Albany, a înregistrat o ploaie meteoritică.

Sub îndrumarea lui Henry, în anul 1847, în SUA a fost organizat un sistem naţional de staţii meteorologice şi magnetice, care au fost unite cu linii telegrafice pentru a putea preveni din timp autorităţile şi populaţia despre apropierea furtunilor puternice şi a altor pericole, a propus şi a implementat un sistem de protejare a liniilor telegrafice de descărcările electrice din atmosferă.

În februarie 1863 a fost adoptată legea despre fondarea Academiei Naţionale de Ştiinţe a SUA. În lista celor 50 de membri numiţi a fost inclus şi Henry, iar în anul 1868 a fost ales (la vârsta de 71 ani) cel de al doilea preşedinte al ei şi a condus-o timp de un deceniu.

Fiind la cârma instituţiilor ştiinţifice principale din SUA timp îndelungat, Henry a contribuit la stabilirea unor legături durabile cu savanţii din Europa. A condus personal o delegaţie de savanţi americani în Europa, a invitat savanţi renumiţi din Europa în ţara sa, contribuind la ridicarea nivelului cercetărilor ştiinţifice americane.

Joseph Henry s-a stins din viaţă la 13 mai 1878, la 81 ani. În anul 1883, în faţa Institutului Smithsonian, a fost dezvelit un monument dedicat lui Henry. Un bust al său se află la Biblioteca Congresului SUA.

În onoarea savantului unitatea de inductanţă (L) a circuitelor electrice a fost denumită henry (cu simbolul H).

În anul 1897, la 100 ani de la naşterea lui Henry, viitorul laureat al Premiului Nobel, Ernest Rutherford (1871–1937), într-o lucrare a sa consacrată problemei depistării undelor electromagnetice, a atras atenţia asupra importanţei descoperirii oscilaţiilor electrice de către savantul american. El scria: „Caracterul anomal al magnetizării ácelor de oţel i-a sugerat lui Henry ideea că descărcarea buteliei de Leyda se produce în mod oscilatoriu”. Această descoperire, minoră la prima vedere, s-a dovedit a fi de o importanţă covârşitoare.

98 99

Heinrich friedrich emil Lenz

(1804–1865)

La 24 februarie 1804, în familia lui Christian Heinrich Friedrich Lenz, funcţionar la magistratura din Dorpat (în prezent, Estonia, la timpul respectiv, Rusia), s-a născut un fiu care a primit numele Heinrich Friedrich Emil (în conformitate cu tradiţia, în Rusia este cunoscut sub numele Emilii

Cristianovici). La 6 ani Emil şi-a început studiile la o şcoală privată, apoi le-a continuat la gimnaziu, unde a manifestat un interes deosebit pentru ştiinţele naturii şi matematică, precum şi pentru limbile clasice şi cultura antică, interesul pentru ultima păstrându-l pe tot parcursul vieţii.

În anul 1820 a absolvit gimnaziul, ca şef de promoţie, şi, fiind îndrumat de un unchi al său (tatăl decedase în 1817), profesor de chimie, s-a înscris la Facultatea de Știinţe Naturale a Universităţii din Dorpat. Aici s-a bucurat de susţinerea rectorului acesteia, profesorul de fizică G. Parrot, care acorda mare atenţie pregătirii experimentale a elevilor săi şi amenajase un laborator de fizică ce corespundea cerinţelor timpului. În acest laborator Lenz şi-a format deprinderile de a efectua experimente, de a lucra cu aparatele fizice.În anul 1821, în urma decesului unchiului său, cel care acorda ajutor material familiei Lenz, Emil a fost nevoit să-şi schimbe facultatea. S-a transferat la cea de teologie cu o durată de studii mai scurtă şi cu perspective mai mari de a asigura, după absolvirea ei, o viaţă decentă familiei. Lenz însă nu era atras de teologie şi continua, paralel, studiile în domeniul fizicii sub îndrumarea profesorului Parrot, care spera să-şi aranjeze elevul, mai târziu, la un serviciu legat cu fizica.

O astfel de posibilitate a apărut în anul 1823, când profesorul Parrot a fost rugat să recomande un tânăr care ar putea participa, în calitate de fizician, la o expediţie în jurul lumii. Astfel, la numai 19 ani, absolvind doar anul doi al universităţii, Emil Lenz este inclus în lista participanţilor la expediţia de pe nava cu pânze „Predpriiatie”,

condusă de Otto Kotzebue. Expediţia a durat 1 048 zile – de la 9 august 1823 până la 15 iunie 1826. După ieşirea din Marea Baltică, nava a traversat Oceanul Atlantic, a ajuns în Brazilia, a înconjurat America de Sud pe la Capul Hoorn, după care a traversat Oceanul Pacific până la peninsula Kamceatka. După o staţionare de câteva luni, nava şi-a continuat călătoria spre sud, a traversat Oceanul Indian, a înconjurat Africa de Sud pe la Cape Town, apoi s-a deplasat spre nord până la locul de pornire.

Pe parcursul întregii expediţii a realizat un vast program de cercetări geofizice. A măsurat presiunea atmosferică şi umiditatea aerului, adâncimile mărilor şi oceanelor traversate, în locuri diferite, densitatea şi temperatura apei în funcţie de adâncime. A stabilit că la mărirea adâncimii, temperatura scade iniţial mai repede, apoi tot mai lent şi mai lent, iar la adâncimi mai mari (de circa 400 m) ea rămâne constantă. Cea mai mică temperatură a apei la adâncime, înregistrată de Lenz, a fost de 2,2 ºC. Pe o insulă a făcut, în momente de timp diferite, 274 de măsurări ale presiunii atmosferice şi a stabilit existenţa a două valori maxime şi a două valori minime ale acesteia pe parcursul unei zile, precum şi momentele de timp corespunzătoare, rezultate confirmate ulterior de alţi cercetători.

A cercetat salinitatea apei de mare, caracterizată prin numărul de grame de sare într-un metru cub de apă. Lenz a efectuat măsurările respective atât prin metoda directă – evapora un metru cub de apă şi cântărea sarea depusă pe fundul şi pereţii vasului, cât şi prin cea indirectă – determina densitatea apei la o temperatură anumită cu areometrul (densimetrul). Astfel a stabilit că salinitatea apei din Oceanul Atlantic este mai mare decât a celei din Oceanul Pacific, iar a apei din Oceanul Indian variază lent între valorile ei din cele două oceane. De asemenea a descoperit că la deplasarea în direcţia meridianului, de la ecuator spre un pol sau altul, salinitatea apei se măreşte până la o valoare maximă, după ce se micşorează. Lenz a explicat acest fapt analizând factorii ce determină intensitatea evaporării apei: temperatura şi curenţii de aer. La ecuator temperatura este mai mare, iar curenţii de aer sunt de intensităţi mici, la apropierea de poli situaţia este inversă – temperatura este mai mică, iar curenţii de aer au intensităţi mai mari. În regiunea intermediară temperaturile sunt ceva mai joase decât la ecuator, dar curenţii de aer au intensităţi mari. În consecinţă, evaporarea apei este mai intensă decât în regiunile învecinate, iar salinitatea apei – maximă.

100 101

O importanţă deosebită pentru navigaţie au avut măsurările deviaţiei magnetice – a unghiului dintre meridianul magnetic şi cel geografic.

La efectuarea cercetărilor Lenz a utilizat şi dispozitive speciale, inventate şi construite împreună cu profesorul său, Parrot. Unul din ele, pe care l-au numit batometru, permitea preluarea probelor de apă de la adâncime şi păstrarea practic neschimbată a temperaturii ei până la aducerea la suprafaţă. Scoaterea batometrului de la adâncime era realizată cu ajutorul unui vârtej special care asigura deplasarea uniformă şi lentă a acestuia.

Darea de seamă ce conţinea expunerea riguros argumentată a rezultatelor obţinute în timpul expediţiei şi a concluziilor formulate de Lenz s-a bucurat de o înaltă apreciere din partea Amiralităţii din Sankt Petersburg. Ea a servit drept bază pentru teza de doctor în filosofie, susţinută cu succes de Lenz la Universitatea din Heidelberg (precizăm că el nu absolvise universitatea). Această rodnică activitate ştiinţifică a servit drept argument incontestabil la alegerea unanimă a lui Lenz în postul de profesor al Universităţii din Sankt Petersburg.

În anii 1829–1830 a participat la o expediţie în munţii Caucaz, în cadrul căreia a efectuat o serie de cercetări geofizice: a determinat înălţimile unor vârfuri de munţi, a cercetat gravitaţia şi magnetismul la diferite înălţimi, a efectuat măsurări ale presiunii atmosferice. Lenz a participat de asemenea la prima ascensiune pe vârful Elbrus. Călăuza, care era un băştinaş, a urcat până în vârf (adică la 5 642 m), iar Lenz – cu 180 m mai jos, efectuând la această altitudine ultimele măsurări. Pentru a marca ascensiunea, pe o scală a fost fixată o placă comemorativă ce menţionează evenimentul. El a evaluat diferenţa de nivel al apei din mările Caspică şi Neagră, concluzionând că în prima nivelul este cu circa 30 de metri mai coborât decât în a doua.

La 23 mai 1830 Lenz s-a întors din expediţie la Sankt-Petersburg, unde cu două luni mai înainte, în lipsa lui, fusese ales academician extraordinar, la numai 26 de ani.

Începând cu anul 1831, Lenz este preocupat tot mai mult şi mai mult de studierea fenomenelor electromagnetice. În anul 1832 a cunoscut descoperirea din anul precedent a marelui fizician englez Michael Faraday (1791–1867) – fenomenul inducţiei electromagnetice. Acesta a formulat legea care exprima valoarea tensiunii electromotoare induse, dar nu reuşise să formuleze o regulă unică pentru a determina sensul

curentului electric indus; pentru fiecare caz particular era propusă o anumită regulă. Lenz şi-a propus să stabilească o regulă generală, aplicabilă în toate cazurile, şi, pentru aceasta, a efectuat o serie de cercetări.

În acei ani încă nu exista un sistem unic de unităţi pentru mărimile electrice şi magnetice, nu erau construite, la scară industrială, aparate precise de măsură ale acestora. Fiecare cercetător îşi construia aparatele sale, ceea ce a făcut şi Lenz. Schema instalaţiei experimentale utilizate de el este prezentată în Figura 37. În jurul barei din fier F era înfăşurată bobina B1 legată cu o a doua bobină B2, în interiorul şi în exteriorul ultimei aflându-se ácele magnetice A1 şi A2. Ácele erau fixate pe un ax comun, paralel unul cu altul, cu polii magnetici de acelaşi nume orientaţi în sensuri opuse. Liniile magnetice în interiorul bobinei şi în exteriorul ei au sensuri opuse, ca rezultat acţiunile magnetice asupra ácelor se adună, iar influenţa câmpului magnetic terestru, omogen în volumul instalaţiei, se anulează. La mărirea numărului de spire din bobina B2, acţiunea magnetică de asemenea se amplifică. Pe ax era fixat şi un mic indicator din lemn I, al cărui vârf indica unghiurile de rotaţie pe scara gradată S. Dispozitivul format din bobină şi perechea de ace magnetice este numit multiplicator. El era introdus într-un vas de sticlă pentru a minimiza influenţa curenţilor de aer din jur. Lenz observa valorile unghiurilor de rotaţie prin sistemul optic format din oglinda plană O şi luneta L. (Distanţa dintre bobine era de circa 6 m, pentru a minimiza acţiunea câmpului neomogen al magnetului permanent asupra ácelor.)

La apropierea foarte rapidă a barei F de polii magnetului M în formă de potcoavă (sau de polii de nume diferite de la două bare magnetice), sistemul de ace magnetice se rotea şi Lenz înregistra valoarea maximă a unghiului de rotaţie. La îndepărtarea bruscă a barei de polii magnetici se observa că rotaţia era de sens opus celei din cazul precedent. Cunoaşterea valorii maxime a unghiului de rotaţie permitea determinarea cantităţii de sarcină electrică ce parcurgea circuitul la închiderea lui. În prezent, această metodă este numită metodă balistică.

Fig. 37

102 103

În urma unui număr mare de experimente, Lenz a stabilit că valoarea tensiunii electromotoare induse în bobina B1 este proporţională cu numărul de spire din ea, depinde de viteza deplasării barei F faţă de magnet (ia valori mai mari când aceasta este deplasată mai rapid) şi nu depinde de dimensiunile spirelor, de grosimea conductorului şi de metalul din care este confecţionată bobina. În acest mod au fost cercetate legităţile cantitative ale fenomenului de inducţie electromagnetică, descoperit de Faraday.

Cel mai important rezultat al lui Lenz este stabilirea unei reguli generale care permite determinarea sensului curentului electric indus. La şedinţa Academiei din Sankt Petersburg din 29 noiembrie 1833 Lenz a prezentat referatul „Despre determinarea sensului curenţilor galvanici, excitaţi prin inducţie electromagnetică”, în care a formulat regula respectivă astfel: „Dacă un conductor metalic se mișcă în vecinătatea unui curent galvanic sau a unui magnet, atunci în el se excită curent galvanic de un astfel de sens, încât circulând prin conductorul aflat în repaus l-ar impune să se deplaseze în sens opus; se admite că conductorul se poate deplasa numai în sensul mișcării sau în sens opus”.

Această regulă, cunoscută în prezent ca regula lui Lenz, permite relativ simplu să se determine sensul curentului indus în toate situaţiile posibile. În afară de aceasta, ea reflectă legătura existentă între fenomenul inducţiei electromagnetice şi interacţiunea curenţilor electrici, precum şi cu magneţii. În baza acestei reguli legea conservării energiei a fost extinsă şi asupra inducţiei electromagnetice.

În prezent, legităţile fenomenului în cauză sunt formulate utilizând noţiunea de flux magnetic. Dacă o suprafaţă plană de arie S se află într-un câmp magnetic omogen de inducţie B, atunci fluxul magnetic prin această suprafaţă , unde este unghiul dintre vectorul B

şi normala la suprafaţă. În conformitate cu legea stabilită de Faraday: tensiunea electromotoare de inducţie generată într-un contur are valoarea egală cu modulul vitezei variaţiei fluxului magnetic prin suprafaţa limitată de acest contur. Regula lui Lenz se enunţă astfel: curentul electric indus într-un contur închis are un astfel de sens, încât câmpul său magnetic se opune variaţiei fluxului magnetic prin suprafaţa limitată de contur, flux care a generat acest curent.

Lenz a demonstrat aplicabilitatea legii lui Ohm la curenţii de inducţie, ceea ce nu era cunoscut, a studiat dependenţa de temperatură a rezistivităţii unor metale. El este primul care a propus o metodă de

determinare a fluxului magnetic măsurând tensiunea electromotoare indusă la crearea sau dispariţia ei.

Rezultatele obţinute l-au plasat pe Lenz în rândul marilor fizicieni ai timpului său şi, pe această bază, la 5 septembrie 1834 a fost ales academician ordinar al Academiei din Sankt Petersburg.

O altă problemă care l-a preocupat pe Lenz a fost degajarea căldurii de către conductoarele parcurse de curent electric. În Figura 38 este reprezentată schema instalaţiei construite în scopul studierii acestei călduri. Din lucrarea sa originală „Despre legile degajării căldurii de către curentul galvanic” (1843) reproducem descrierea ei: „La mijlocul barei din lemn nO este fixat dopul de sticlă AB, bine ajustat la gura vasului răsturnat GH; dopul se unge cu grăsime, astfel ca în vasul GH fixat pe el să nu pătrundă apa și aerul … . Sus, adică la fundul vasului, se află un orificiu astupat cu un dop prin care trece termometrul KL; bila lui este coborâtă până la centrul vasului ... . În dopul de sticlă AB sunt sfredelite două canale prin care sunt trecute două fire de platină, C și D, capetele lor din interiorul vasului fiind conice, pe ele se îmbracă dopuri masive din platină. Conductorul destinat încălzirii se deapănă în formă de bobină; capetele ei se fixează între conuri și dopurile din platină”. În urma unor cercetări sistematice a stabilit că această cantitate de căldură degajată de conductor în lichidul turnat în vasul GH este proporţională cu pătratul intensităţii curentului din el şi cu rezistenţa conductorului, nefiind dependentă de alte mărimi ce-l caracterizează, precum şi cu timpul în care circulă curentul. Acelaşi rezultat a fost obţinut cu doi ani mai devreme de către cercetătorul englez James Prescott Joule (1818–1889), însă cercetările lui Lenz au fost mai profunde şi mai convingătoare, ceea ce justifică numele de legea Joule-Lenz (în unele ţări este numită numai legea lui Joule).

Lenz a continuat cercetările lui Faraday în domeniul electro-chimiei: a verificat aplicabilitatea legii lui Ohm la electroliţi; a studiat rezistivitatea electrolitului în funcţie de concentraţia substanţei dizolvate, de forma şi dimensiunile electrozilor şi a băii electrolitice; a cercetat distribuţia spaţială a curentului electric în electrolit. A studiat

Fig. 38

104 105

de asemenea efectele termoelectrice: efectul descoperit în anul 1821 de către Thomas Seebeck (1770–1831) – apariţia tensiunii electromotoare în circuitul format din conductoare diferite ale căror regiuni de contact (suduri) au temperaturi diferite (efectul Seebeck), precum şi cel descoperit în anul 1834 de către Jean Charles Anathase Peltier (1785–1845) – degajarea sau absorbirea căldurii în regiunea de contact a două metale diferite în funcţie de sensul curentului electric care trece prin el (efectul Peltier). Aplicând principiul ultimului efect, a proiectat şi a realizat o instalaţie cu care a reuşit să transforme apa în gheaţă.

În acelaşi timp, a continuat să activeze şi în domeniul geofizicii: acorda consultanţă la pregătirea unor expediţii în munţii Ural şi în Siberia, alcătuia programele cercetărilor geofizice, participa la analiza datelor acumulate. Astfel, în anul 1835 a prelucrat datele măsurărilor magnetice efectuate pe o navă rusă ce făcuse ocolul pământului.

Paralel cu cercetările ştiinţifice, Lenz a avut o activitate didactică intensă. În anul 1835 a fost invitat la universitate, unde a predat fizica şi geografia fizică. A elaborat un manual de fizică pentru gimnaziu (11 ediţii, prima ediţie în 1839) şi unul de geografie fizică pentru universităţi (5 ediţii, prima în 1851). Atât prelegerile, cât şi fiecare din ediţiile următoare conţineau expunerea ultimelor descoperiri în domeniile respective ale ştiinţei, îndeosebi în electromagnetism.

A fost decan al Facultăţii de Fizică. În anul 1863 a fost ales rector al universităţii cu 24 voturi pro şi doar 2 – contra, contracandidaţii săi acumulând fiecare mai puţin de jumătate din numărul de voturi, ceea ce arată că Lenz era nu numai o autoritate ştiinţifică recunoscută, dar şi că se bucura de multă popularitate şi de un prestigiu binemeritat printre cadrele universitare.

Academicianul Lenz a fost membru al multor comisii pe diferite probleme ale învăţământului, precum şi al celor pentru construirea Observatorului astronomic principal din Pulkovo, a Catedralei Sf. Isaac din Sankt Petersburg ş.a.

La începutul anului 1864 Lenz s-a îmbolnăvit şi a început să-i slăbească vederea. În toamnă a plecat la Roma pentru a se trata. Starea sănătăţii i s-a îmbunătăţit considerabil, dar, pe neaşteptate, la 29 ianuarie 1865 a decedat în urma unui atac cerebral în timp ce se plimba. Numele lui a rămas înscris în analele fizicii, inclusiv în manualele şcolare.

Jean Bernard Leon foucault(1819–1868)

Ilustrul fizician francez Leon Fou-cault s-a născut la 18 septembrie 1819, la Paris, în familia unui librar. Din fragedă copilărie a fost atras de creaţia tehnică, construind diferite jucării cu caracter tehnic. A dorit să devină chirurg şi timp de trei ani a fost cadru medical, în postul de preparator la Catedra de histologie; în această perioadă a efectuat cercetări în

domeniul microscopiei clinice şi a construit un dispozitiv ce asigura o iluminare mai bună a câmpului de vedere al microscopului. Ulterior a abandonat medicina.

Mai târziu, pasiunea sa a devenit daguerrotypia, cum era numită în acea vreme fotografia – după numele inventatorului ei, inginerul francez Louis Jacques Mandé Daguerre (1789–1851). În acea perioadă, efectuând cercetări în domeniul daguerrotypiei, Leon Foucault a făcut cunoştinţă cu fizicienii François Dominique Jean Arago (1786–1853) şi hippolyte Armand Louis Fizeau (1819–1896), cei care au contribuit în mod decisiv la conturarea domeniului activităţii sale ştiinţifice ulterioare.

În anul 1844 Foucault a perfecţionat lampa cu arc electric. El a înlocuit electrozii din cărbune de lemn (mangal) cu electrozi din cărbune de retortă. Astfel este numit cărbunele care se depune pe pereţii interni ai retortei în care are loc rectificarea cărbunelui de pământ în scopul obţinerii gazului de iluminat. Cărbunele de retortă are o duritate mai mare, este un bun conductor de curent electric şi arde la o temperatură mai înaltă decât cărbunele de pământ. Aceste calităţi au permis mărirea duratei de utilizare a electrozilor şi obţinerea unor fascicule mai intense de lumină. De asemenea, Foucault a inventat primul regulator automat al luminii lămpii cu arc. În particular, acest regulator a fost folosit la Opera din Paris în instalaţia care imita răsăritul Soarelui.

Împreună cu Fizeau, a cercetat (1850) condiţiile observării tabloului de interferenţă a două raze de lumină ce proveneau de

106 107

la una şi aceeaşi sursă. Folosind lame transparente mai groase, ei au reuşit să observe interferenţa la diferenţe mari de drum optic (până la 7 394 lungimi de undă). Aceasta le-a permis să tragă concluzia privind existenţa unor regularităţi în emisia succesivă a undelor de lumină.

Una din problemele controversate ale fizicii din secolul al XVIII-lea şi începutul secolului al XIX-lea era cea privind natura luminii. Existau două concepte: cel de lumină corpusculară, datorat lui Newton, şi cel de lumină ondulatorie, datorat lui Huygens. Cercetările referitoare la interferenţa şi la difracţia luminii înclinau balanţa în favoarea naturii ondulatorii. Era însă necesară o experienţă care ar fi rezolvat definitiv chestiunea menţionată. Cea mai reuşită în acest sens ar fi fost determinarea vitezei luminii în aer şi într-un mediu oarecare transparent. Conform teoriei corpusculare, viteza luminii într-un mediu este mai mare decât în aer, iar conform teoriei ondulatorii, situaţia este inversă, viteza luminii în mediu este mai mică decât în aer. Arago a pus această problemă în faţa lui Fizeau şi Foucault, care, pentru soluţionarea ei, au aplicat metode diferite, astfel încât, în cele din urmă, colaborarea dintre ei a căpătat un caracter de competiţie.

În anul 1838 Arago a propus o metodă de determinare a vitezei luminii – metoda oglinzii ce se roteşte, dar nu a reuşit s-o realizeze experimental din cauza vederii slabe. La propunerea lui Arago, această idee, mult mai dezvoltată, a fost pusă la baza experienţei realizate cu succes de către Foucault (1850).

Schema experienţei sale este prezentată în Figura 39. Lumina emisă de sursa a trece prin oglinda semitransparentă g şi lentila convergentă L, apoi cade pe o oglindă plană aflată în poziţia m. După reflexia de la oglinda plană, lumina cade pe oglinda concavă fixă M, a cărei rază de curbură R este

egală cu distanţa dintre aceste două oglinzi. Dacă oglinda plană este în repaus, atunci lumina reflectată de la oglinda M cade pe cea plană şi se reflectă de la aceasta în direcţia Ca, apoi se reflectă şi de la oglinda semitransparentă g. În ocularul O este observată imaginea respectivă α.

Fig. 39

Admitem că oglinda plană se roteşte în jurul axei ce trece prin mijlocul ei perpendicular pe planul figurii, în sensul indicat. În intervalul de timp în care lumina parcurge distanţa 2R de la oglinda plană spre cea concavă şi înapoi, la oglinda plană, ultima se roteşte cu un oarecare unghi. Ca rezultat, după reflexia de la ea, lumina nu se mai propagă în direcţia Ca, ci într-o altă direcţie, Ca’, iar după reflexia de la oglinda semitransparentă g în ocular se va observa o altă imagine α’. La fiecare rotaţie a oglinzii în imaginea α΄ vine câte un impuls de lumină, iar la rotaţia rapidă a oglinzii plane aceste impulsuri se succed la intervale mici de timp. În ocular se observă o imagine fixă α’, corespunzătoare vitezei unghiulare a oglinzii.

Cunoscând raza R a oglinzii concave M, viteza unghiulară de rotaţie a oglinzii plane, distanţa dintre imaginile α şi α’, precum şi alţi parametri ai sistemului optic, a fost determinată viteza luminii, în cazul de faţă în aer.

În experienţele sale, Foucault a determinat, de asemenea, viteza luminii în apă. În acest scop a folosit şi o a doua oglindă concavă M’ de aceeaşi rază ca oglinda M. Între oglinda plană şi M’ a introdus un tub umplut cu apă şi închis la ambele capete cu lame subţiri de sticlă. La o poziţie m’ a oglinzii plane raza de lumină reflectată de la ea trecea prin apa din tub, se reflecta de la oglinda concavă M’, trecea în sens invers prin apa din tub şi ajungea din nou la oglinda plană, de la care se reflecta a doua oară. În timpul dintre cele două reflexii de la oglinda plană, aceasta se rotea cu un oarecare unghi. Ca rezultat, lumina reflectată de la oglinda semitransparentă g forma în ocular o imagine nouă, α’’.

Deplasarea imaginii α’’ faţă de imaginea α era mai mare decât deplasarea imaginii α’ faţă de aceeaşi imagine α. Aceasta înseamnă că lumina a parcurs în apă o distanţă egală cu 2 lungimi ale tubului într-un interval de timp mai mare decât cel în care a parcurs aceeaşi distanţă în aer.

În acest fel, Foucault a demonstrat în mod convingător că viteza luminii în apă este mai mică decât în aer, confirmându-se teoria ondulatorie a luminii. Trebuie menţionat şi faptul că la realizarea acestui experiment Foucault a rezolvat un şir de probleme tehnice dificile, de exemplu, a folosit o turbină mică pentru a roti oglinda plană cu viteze unghiulare mari, a folosit metoda stroboscopică pentru a determina viteza unghiulară a turbinei etc.

108 109

În anul 1862 a repetat această experienţă într-o variantă perfecţionată. Folosind un sistem de oglinzi, Foucault a mărit distanţele dintre oglinda plană şi cele concave, ceea ce a permis să fie mărită precizia determinării vitezei luminii. Valorile obţinute de el pentru aceste viteze sunt: 298 000 km/s în aer şi 225 000 km/s în apă.

Ideea unei alte experienţe i-a fost sugerată lui Foucault de o observaţie. Imaginaţi-vă o vergea elastică şi subţire, fixată cu un capăt într-un dispozitiv ce poate roti în jurul axei verticale vergeaua care oscilează. Capătul liber al vergelei este scos din echilibru, apoi eliberat, ca rezultat, vergeaua oscilează în planul în care s-a aflat la momentul eliberării. La rotirea capătului fix în dispozitiv se observă că planul de oscilaţie nu depinde de această rotaţie. O situaţie asemănătoare are loc şi în cazul oscilaţiilor unui pendul simplu – o bilă suspendată de un fir inextensibil de masă neglijabilă. Rotirea capătului superior al firului nu influenţează planul oscilaţiilor.

Admitem că punctul de suspensie al pendulului se află deasupra Polului Nord al Pământului. În acest caz, planul de oscilaţie al pendulului rămâne nemişcat faţă de bolta cerească, în timp ce Pământul se roteşte sub pendul de la vest spre est. Observatorul de pe Pământ vede însă rotaţia planului de oscilaţie a pendulului în sens opus cu viteza unghiulară a cărei valoare este egală cu viteza unghiulară a rotaţiei Pământului în jurul axei sale.

Fenomenul devine mai complicat la altitudini mijlocii datorită faptului că verticala în locul dat al Pământului formează un unghi oarecare cu axa lui. Ca rezultat, verticala nu se mai roteşte în jurul său, ci descrie o suprafaţă conică al cărui unghi de deschidere se măreşte pe măsura îndepărtării de la pol. Foucault a intuit că la aceste latitudini aspectul calitativ al fenomenului rămâne acelaşi, deosebirea fiind de ordin cantitativ. El a formulat şi o lege: Rotaţia vizibilă a planului de oscilaţie a pendulului este egală cu produsul dintre viteza unghiulară a Pământului şi sinusul latitudinii geografice a punctului de suspensie al pendulului, confirmată de cercetările teoretice ulterioare.

Foucault a realizat prima sa experienţă de acest fel într-un subsol. Pendulul prezenta un fir de oţel cu lungimea de 2 m şi diametrul de circa 1 mm, de care era suspendată o sferă de alamă cu masa de 5 kg. Sfera avea în partea inferioară un vârf ascuţit ce lăsa urme pe stratul de nisip de sub el, marcând astfel poziţia planului de oscilaţie. Pentru a asigura oscilarea pendulului într-un plan anumit, vârful ascuţit era legat de perete cu un

fir. La arderea firului, pendulul începea să oscileze şi după o jumătate de oră se observa abaterea planului de oscilaţie de la poziţia sa iniţială. Experienţa a fost efectuată apoi în sala meridională a Observatorului din Paris cu un pendul lung de 11 m şi efectul a fost mai vizibil.

Toate aceste rezultate le-a publicat, în 1851, în lucrarea „De-monstrarea fizică a rotaţiei Pământului cu ajutorul pendulului”. În acelaşi an Foucault a repetat experienţa sub bolta Panteonului din Paris. Pendulul prezenta un fir lung de 67 m, de care era suspendată o sferă cu masa de 28 kg. El efectua o oscilaţie completă în aproximativ 16 s cu o amplitudine de 7 m. Pe durata unei oscilaţii, la distanţa de 7 m de la axa pendulului, acesta se deplasa cu 2,5 mm în sens opus rotaţiei Pământului. În decurs de o oră, planul de oscilaţie se rotea cu 11°18’, în bun acord cu legea formulată. Experienţa cu pendulul Foucault a fost repetată în mai multe ţări şi oraşe: Bristol, Oxford, New York, Quebec, Geneva, Florenţa, Deventer, Gröningen ş.a. Rezultatele experienţei efectuate într-o catedrală din Roma au fost publicate în analele Academiei Papale dei Lincei („Atti Acad. Nuov. Line.” IV, 1850–1851), după ce Biserica Catolică a recunoscut justeţea concepţiei despre mişcarea Pământului.

În timpul expoziţiei de la Paris (1855), într-unul din pavili-oane, Foucault a prezentat în faţa unui public numeros experienţa cu un pen-dul, ale cărui oscilaţii erau susţinute de un dispozitiv electromagnetic special construit de el. Cel mai lung pendul Foucault a fost montat, în 1931, în catedrala Sf. Isaac din Sankt Petersburg. De un fir lung de 98 m, cu diametrul de 1 mm, era suspendată o sferă de fontă cu masa de 60 kg. Perioada oscilaţiilor era de 20 s şi în acest timp, la distanţa de 5 m de la centru, punctul la care el ajungea se deplasa cu 6 mm. În anul 2007, un pendul Fou-cault a fost plasat în incinta blocului prin-cipal al Universităţii Tehnice din Moldova (fig. 40). Lungimea fi-rului de suspensie este egală cu aproximativ 17 m, masa sferei pen-dulului – cu 107 kg.

Fig. 40

110 111

S-a stabilit că forma traiectoriei pendulului depinde de modul în care el este pus în mişcare oscilatorie. În cazul în care pendulul este abătut de la poziţia de echilibru, apoi eliberat fără a i se imprima viteza iniţială, forma traiectoriei lui este asemenea celei reprezentate de curba ABCD în Figura 41, a), unde ω este valoarea proiecţiei pe direcţia verticală a vitezei unghiulare a Pământului la latitudinea dată. Dacă

însă pendulul se află în repaus în poziţie de echilibru şi este pus în mişcare printr-un impuls de scurtă durată, traiectoria lui are aspectul curbei OABC din Figura 41, b). Observăm că în ambele cazuri pendulul se abate spre dreapta de la direcţia vitezei la momentul respectiv. O astfel

de abatere are loc în emisfera nordică, iar în cea sudică ea are loc în sens opus, adică spre stânga de la direcţia vitezei.

Trebuie să menţionăm că experienţa cu pendulul Foucault a fost prima experienţă realizată pe Pământ care a demonstrat convingător că acesta se roteşte în jurul axei sale.

În anul 1852, Foucault a inventat giroscopul. Astfel a fost numit corpul solid ce se roteşte cu viteză unghiulară mare în jurul axei sale de simetrie, aceasta având posibilitatea de a-şi modifica direcţia în spaţiu (cel mai cunoscut giroscop este titirezul). O proprietate importantă a giroscopului este că el tinde să-şi păstreze neschimbată în spaţiu direcţia axei de rotaţie.

Foucault a indicat de asemenea şi unele dintre posibilele aplicaţii ale giroscoapelor în tehnică. A propus utilizarea compasului giroscopic în navigaţie pentru a indica direcţia meridianului geografic. Prioritatea acestui compas faţă de cel magnetic constă în faptul că ultimul este influenţat de furtunile magnetice, precum şi de obiectele de fier din jur. Giroscoapele se aplică şi la stabilizarea corpurilor, de exemplu, pentru a micşora balansarea navelor oceanice, pentru a stabiliza trenurile monorai, pentru dirijarea automată a zborurilor avioanelor ş.a.

O altă descoperire a lui Foucault se referă la domeniul electro-magnetismului. În anul 1855 a descoperit curenţii electrici turbionari (numiţi şi curenţii Foucault), ce sunt generaţi în corpurile metalice masive aflate în câmp magnetic variabil în timp. Rezistenţa conduc-

Fig. 41

torului masiv fiind mică, curenţii Foucault pot avea intensităţi mari. Prin urmare, în el se degajă o cantitate mare de căldură, fapt folosit în cuptoarele electrice de inducţie, în care metalele pot fi topite în vid, ceea ce permite obţinerea unor materiale de puritate excepţională.

În unele cazuri, de exemplu, în motoarele electrice şi transformatoare, curenţii turbionari sunt dăunători (încălzirea este inutilă şi provoacă pierderi de energie). Foucault a propus o metodă ce permite micşorarea acestor curenţi: în acest scop trebuie mărită rezistenţa corpului masiv prin confecţionarea unui şir de tăieturi transversale. Astfel, miezul transformatorului se confecţionează din plăci subţiri de fier, numite tole, lipite una de alta cu un lac special. Plăcile sunt plasate în aşa mod, încât curenţii Foucault, ce ar lua naştere, să fie perpendiculari pe planurile lor.

În conductoarele masive care se mişcă în câmp magnetic apar curenţii Foucault şi asupra lor, din partea aceluiaşi câmp magnetic, acţionează forţe electromagnetice care frânează conductorul. Acest fenomen este folosit, de exemplu, pentru amortizarea oscilaţiilor sistemelor mobile în aparatele electrice de măsură, în seismografe etc. Pe axul piesei mobile a aparatului se fixează o placă metalică în formă de sector circular ce este introdus între polii unui magnet permanent puternic (Fig. 42). Dacă placa se mişcă, în ea apar curenţi turbionari care provoacă frânarea ei, deci şi a sistemului mobil.

Foucault a confecţionat o prismă de polarizare, prismă ce transformă lumina naturală în lumină liniar polarizată, adică lumină la care vectorul electric variază în unul şi acelaşi plan. Prisma Foucault prezintă un paralelipiped confecţionat într-un anumit mod din spat de Islanda şi tăiat în două părţi care sunt apoi îndepărtate una de alta, încât între ele să se formeze un strat de aer (Fig. 43). Ea este asemănătoare cu prisma Nicol, dar are alte dimensiuni: este mai scurtă, şi, în afară de aceasta, părţile ce formează prisma Nicol sunt lipite cu balsam de Canada.

Fig. 42

Fig. 43

112 113

Prisma Foucault poate fi utilizată şi în cazul razelor ultraviolete, scop în care prisma Nicol nu poate fi utilizată, deoarece balsamul de Canada absoarbe puternic aceste raze. În schimb, intervalul pentru unghiurile de incidenţă ale razelor ce cad pe prismă, la care se obţine lumină complet polarizată, interval numit apertură a polarizării complete a prismei, este doar de 8° la prisma Foucault, în timp ce la prisma Nicol este de 29°.

Începând cu anul 1855, Foucault a activat la Observatorul din Paris, unde a contribuit la perfecţionarea construcţiei telescoapelor. A înlocuit în ele oglinzile metalice cu oglinzi din sticlă subţire argintată, a construit un telescop cu prismă cu reflexie internă totală, a elaborat o metodă de control al calităţii suprafeţelor optice.

Ultima invenţie a lui Foucault a fost un regulator de viteză de rotaţie superior regulatorului Watt. Menţionăm că toate instalaţiile din pavilionul american de la Expoziţia Internaţională de la Paris (1855) au fost dirijate cu regulatoare Foucault.

Cele expuse mai sus evidenţiază în mod convingător că Leon Foucault a fost un mare fizician experimentator şi un genial inventator al secolului al XIX-lea. I-au fost decernate mai multe premii ştiinţifice, a fost decorat cu ordinul Legion d’Honneur (1855), a fost ales membru al Academiilor din Paris şi Berlin, al Societăţii Regale din Londra ş.a.

Leon Foucault s-a stins din viaţă la 11 februarie 1868 şi a rămas cunoscut în fizică prin metoda de determinare a vitezei luminii în aer şi în apă, prin pendulul său, prin curenţii turbionari şi prin prisma de polarizare. Toate aceste realizări îi poartă şi îi vor purta mereu numele.

Hippolyte armand Louis fizeau

(1819–1896)

Renumitul fizician francez Hippolyte Fizeau s-a născut la 23 septembrie 1819, cu câteva zile mai târziu după ce se născuse, tot la Paris, Leon Foucault. După absolvirea Colegiului Saint-Stanislas şi-a continuat studiile la Facultatea de Medicină a Universităţii, unde tatăl său

era şef de catedră la patologie internă. Din cauza problemelor de sănătate, a fost nevoit să plece pentru un timp din Paris. La întoarcerea în capitală a refuzat să studieze medicina, preferând fizica. A audiat prelegerile lui François Dominique Jean Arago (1786–1853) la astronomie, ale lui Victor Regnault (1810–1878) la optică şi a studiat individual conspectele fratelui său, deja student la Şcoala Politehnică. Astfel, nu numai că şi-a îmbogăţit treptat bagajul de cunoştinţe, ci, punându-şi mereu întrebări şi încercând să găsească şi răspunsuri convingătoare, şi-a dezvoltat reale calităţi de cercetător ştiinţific.

La vârsta de numai 19 ani, Fizeau era preocupat de daguerrotypie, efectuând cercetări referitoare la natura imaginii fotografice. În anii 1840–1841 a reuşit să publice primele sale lucrări în acest domeniu: „imaginea fotografică fixată pe metal printr-un procedeu care nu modifică nici puritatea, nici vigoarea desenului;”„folosirea bromului la fotografierea pe plăci metalice.” În ele Fizeau a elaborat, pentru prima dată, o metodă de obţinere a imaginilor fotografice chiar şi la durate mici de expunere.

În Germania, în anul 1842, L. Moser a observat următorul fenomen: dacă pe o suprafaţă de sticlă bine şlefuită se scrie sau se desenează, apoi se şterge totul, atunci imaginea respectivă reapare în urma prelucrării suprafeţei cu vapori, de exemplu, respirând asupra ei. Aceste imagini au fost denumite asudate. A fost emisă şi o ipoteză conform căreia în corpuri este înmagazinată lumină latentă ce contribuie la alipirea vaporilor şi gazelor pe suprafeţele corpurilor solide. Experienţele lui Moser au atras atenţia multor fizicieni, unii considerându-le drept o descoperire foarte importantă care poate fi comparată cu descoperirea sursei de curent

114 115

continuu de către Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745–1827). Însă în anul 1843, implicându-se în analizarea fenomenului, Fizeau a stabilit că nici razele de lumină, nici cele termice nu joacă vreun rol în apariţia imaginilor asudate. Ele apar datorită faptului că proprietăţile corpurilor solide se modifică în urma alipirii pe ele a unui strat de aer. Imaginile asudate nu apar dacă suprafeţele corpurilor sunt prelucrate astfel ca pe ele să nu existe aer adsorbit.

În timpul efectuării cercetărilor asupra imaginilor fotografice, Fizeau l-a cunoscut pe Jean Bernard Leon Foucault (1819–1868). Ei s-au împrietenit şi au colaborat circa 5 ani, fiind îndrumaţi de către Arago. Între anii 1844 şi 1847 au cercetat acţiunea luminii, din regiuni diferite ale spectrului solar, asupra plăcii fotografice. În acei ani se credea că razele de lumină de diferite culori produc acţiuni chimice în măsuri egale. Fizeau şi Foucault au confirmat, prin experienţe, că razele cel mai mult refractate de prismă – razele violete – produc o acţiune chimică mai puternică, iar razele roşii şi galbene produc o acţiune mult mai slabă.

În anul 1847 Fizeau şi Foucault au cercetat difracţia razelor termice (infraroşii), continuând lucrările fizicianului german Karl Hermann Knoblauch (1820–1895), care, cu un an mai devreme, a observat pentru prima oară acest fenomen. Fizicienii francezi au confecţionat un termometru cu alcool, foarte sensibil, care permitea măsurări de temperatură cu precizia de 1/400 dintr-un grad Celsius. Cu ajutorul lui ei au stabilit că pentru razele infraroşii condiţiile de formare a maximelor şi minimelor de difracţie sunt aceleaşi ca şi pentru lumina vizibilă. Mai mult, ei au reuşit să traseze, pentru prima oară, curba de distribuţie a energiei termice în spectrul solar obţinut cu ajutorul prismei şi au depistat, în domeniul razelor infraroşii, existenţa unor linii „reci”, adică lipsa razelor infraroşii cu lungimile de undă respective. În baza rezultatelor acestor experimente, au calculat lungimile de undă ale unor raze infraroşii. Tot împreună, Fizeau şi Foucault au cercetat interferenţa luminii la diferenţe mari de drum optic.

Colaborarea Fizeau–Foucault încetează însă în anul 1848, când începe o perioadă de acerbă concurenţă ştiinţifică între ei. La propunerea lui Arago, ambii îşi imaginează şi realizează experienţe prin care determină viteza luminii. Foucault a pus la baza experienţei sale chiar o idee a lui Arago, iar Fizeau a elaborat o metodă proprie, vrând să-şi aleagă o cale a sa în fizică.

Schema experienţei realizate de către Fizeau în anul 1849 este reprezentată în Figura 44. Instalaţia era constituită din două părţi: blocul I, de emisie şi de înregistrare a luminii, instalat la Suresnes, lângă Paris, şi blocul II – un tub optic instalat la Montmartre, la distanţa l = 8633 m faţă de primul. Lumina de la o sursă puternică S era concentrată de lentila C1 pe o oglindă semitransparentă G, de la care se reflecta spre lentila convergentă B. În planul focal al acestei lentile era plasată o roată dinţată Z, astfel ca în focarul O al lentilei B să se afle dinţii roţii sau spaţiile dintre dinţi, în funcţie de poziţia roţii. Razele paralele, ieşite din lentila B a blocului I de emisie şi înregistrare a luminii, se propagau spre tubul optic II, alcătuit dintr-o lentilă convergentă C şi oglinda plană L situată în planul focal al lentilei C. Pentru a ajusta tubul optic se scotea din el oglinda L şi tubul era aranjat în poziţia în care prin ocularul său era înregistrată lumina de la sursa S.

După aceasta oglinda era montată la locul său. Razele reflectate de la oglinda L treceau prin lentilele convergente C şi B, prin oglinda semitransparentă G şi nimereau în ochiul observatorului.

Traseul razelor de lumină descris mai sus se realiza în întregime dacă roata dinţată era în repaus în poziţia în care focarul lentilei B se afla în spaţiul dintre dinţi. Admitem că roata dinţată era pusă în mişcare de rotaţie. La mărirea frecvenţei de rotaţie a ei se realiza o astfel de situaţie, când lumina ce a trecut de la G spre B prin spaţiul dintre dinţi, după parcurgerea distanţei de la B spre C, L şi înapoi spre roata dinţată, întâlneşte dintele vecin spaţiului liber prin care a trecut iniţial. În acest caz lumina nu mai ajunge la ochiul observatorului.Să efectuăm calculele ce ne permit să determinăm viteza luminii. Timpul necesar pentru ca lumina să parcurgă distanţa l de la focarul O până la oglinda L şi înapoi 2t l c= , unde c este viteza luminii în aer.

Fig. 44

116 117

Notăm cu n frecvenţa de rotaţie, deci durata unei rotaţii complete este 1/ n. Dacă numărul de dinţi al roţii este n, atunci roata are tot atâtea spaţii libere, iar timpul în care spaţiul liber este ocupat de dintele vecin este egal cu 1/(2n) din durata unei rotaţii complete. Prin urmare t = 1/(2 Nn). Egalând aceste două expresii pentru timpul t, obţinem formula pentru viteza căutată: c = 4 nnl. În experienţa lui Fizeau l = 8 633 m , n = 720 şi n = 12,6 s-1, rezultând viteza c = 313274 km/s. Evident, la frecvenţa de rotaţie 2n, unde n este valoarea de mai sus, observatorul va înregistra lumină, iar la frecvenţa 3n – întuneric etc.

Vom menţiona că experienţa lui Fizeau a fost prima experienţă de determinare a vitezei luminii în condiţii terestre. Valoarea obţinută în baza ei este ceva mai mare decât cea determinată în baza observaţiilor astronomice, dar diferenţa dintre ele este relativ mică. Experienţa lui Fizeau a fost repetată şi de alţi fizicieni: A. Cornu în 1873, J. Young şi J. Forbes în 1882, care au construit instalaţii cu o precizie mai mare. În 1928 A. Carolus şi O. Mittelstaedt au reluat metoda lui Fizeau, dar au înlocuit roata dinţată cu o celulă Kerr – un dispozitiv electrooptic ce permitea întreruperea periodică a razei de lumină asemenea roţii dinţate. În această variantă experienţa a fost repetată de către A. Huttel (1940), U. Anderson (1941) ş.a.

În atenţia lui Fizeau s-a aflat şi problema eterului, a acelui mediu elastic ipotetic, ale cărui oscilaţii ar constitui undele de lumină. El a analizat diversele ipoteze ce se refereau la interacţiunea eterului cu corpurile ce se mişcă în el şi la influenţa ei asupra vitezei cu care se propagă lumina. Printr-un experiment crucial, din cele trei ipoteze de mai jos trebuia găsită varianta corectă. Iată ipotezele:

a) eterul este complet liber, se află în repaus absolut, nu este antrenat de corpurile ce se mişcă în el; în acest caz, viteza luminii în corpul aflat în mişcare este aceeaşi ca şi în corpul respectiv aflat în repaus, adică , unde n este indicele de refracţie absolut al substanţei;

b) eterul este intim legat de particulele corpului, adică este

complet antrenat; în acest caz, viteza luminii în corp este ,

unde viteza corpului u se ia cu semnul plus, dacă viteza luminii are aceeaşi direcţie şi sens cu viteza luminii în el, şi cu semnul minus dacă aceste viteze au sensuri opuse;

c) eterul este legat doar parţial de particulele corpului, adică este antrenat parţial; considerând că corpurile antrenează doar surplusul eterului din ele faţă de mediul înconjurător (aer), unde densitatea eterului este mai mică decât în corpurile solide, Augustin Jean Fresnel (1788–1827) a obţinut pentru viteza luminii în corpul ce se mişcă cu viteza u expresia , unde mărimea

211n

k −= este

aşa-numitul coeficient de antrenare.Pentru a soluţiona problema în cauză, Fizeau a efectuat în anul

1851 o experienţă specială în care a dorit să observe cantitativ influenţa curgerii apei asupra valorii vitezei de propagare a luminii în ea. Schema instalaţiei este prezentată în Figura 45. Lumina emisă de sursa S trece prin lama-oglindă semitransparentă M2 spre lentila L1; până la lentilă lumina a trecut prin două fante (în figură nu sunt indicate), astfel că

după lentila L1 se obţin două fascicule înguste şi paralele de lumină, fiecare din ele parcurgând unul din braţele tubului de sticlă T plin cu apă; după ieşirea din tub razele trec prin două lame plan-paralele, C şi C´, menite să regleze traseul lor ulterior; trecând apoi prin lentila convergentă L2 razele se reflectă pe oglinda plană M1, plasată în focarul lentilei, astfel că, după aceasta, razele se propagă înapoi spre L1 schimbându-se cu traseele în sensul că raza ce a parcurs iniţial braţul superior al tubului la întoarcere parcurge braţul inferior şi invers; prin urmare, ambele raze parcurg prin tub aceleaşi trasee şi în acest mod este înlăturată influenţa oricăror factori accidentali ca prezenţa unor neomogenităţi ale sticlei, încălzirea diferită a braţelor tubului ş.a.; trecând din nou prin lentila L1, razele se reflectă de la lama-oglindă semitransparentă M2 şi se suprapun în punctul O, unde se observă tabloul de interferenţă; cu ajutorul unui tub ocular se determinau poziţiile franjelor de interferenţă şi se măsura interfranja, adică distanţa dintre două franje vecine luminoase (sau întunecate).

Fig. 45

118 119

Măsurările au fost efectuate în modul următor: se marca poziţia unei franje de interferenţă în cazul în care apa din tub era în repaus. Apoi apa era pusă în mişcare, cele două raze de lumină propagându-se în condiţii diferite: una din ele se propaga în ambele braţe în sens contrar curgerii apei (în situaţia din figură – cea de sus), iar raza a doua (cea de jos) parcurgea ambele braţe în sensul curgerii ei. Lungimea fiecărui tub era de 1,487 m, iar viteza maximă de curgere a apei era de circa 7 m/s.

Dacă apa n-ar antrena eterul, atunci curgerea ei n-ar influenţa asupra tabloului de interferenţă. Fizeau a observat însă că punerea apei în mişcare este însoţită de deplasarea acestui tablou. La schimbarea sensului curgerii apei în tub, tabloul de interferenţă se deplasa în sens opus. Fizeau aduna valorile deplasărilor tabloului la viteze egale de curgere a apei, mărind în acest mod precizia rezultatului obţinut. După valoarea deplasării cauzate de influenţa curgerii apei asupra propagării luminii în ea, Fizeau a ajuns la concluzia că eterul este antrenat parţial şi a confirmat cu o precizie de 15% formula lui Fresnel pentru coeficientul de antrenare.

Prima repetare a experienţei lui Fizeau a fost realizată în anul 1886 de către fizicienii americani Albert Abraham Michelson (1852–1931) şi Edward Williams Morley (1838–1923), care au adus instalaţiei utilizate o serie de perfecţionări tehnice, fapt ce a permis obţinerea unui rezultat mai precis decât cel al lui Fizeau.

Şi mai exacte au fost rezultatele obţinute în anul 1914 de fizicianul olandez Pieter Zeeman (1865–1943) împreună cu colaboratorii săi. Ei au determinat viteza luminii nu numai în apă curgătoare, ci şi în corpuri solide, în cilindri din sticlă specială, ce se mişcau cu viteze de circa 10 m/s. S-a cercetat şi influenţa dispersiei luminii. Rezultatele obţinute au confirmat formula lui Fresnel cu o precizie de circa 2,5%. Experienţa lui Fizeau a fost considerată timp îndelungat drept o confirmare a existenţei eterului şi a antrenării lui parţiale.

Rezultatele lui Fizeau au fost apreciate de către marele fizician teoretician olandez Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928), care le-a pus la baza teoriei fenomenelor optice în mediile aflate în mişcare. Ulterior, el a dedus expresia pentru coeficientul Fresnel în cadrul teoriei electronice pe care a elaborat-o, considerând acest rezultat drept un succes important.

Albert Einstein (1879–1955), în cadrul teoriei relativităţii pe care a creat-o şi care neagă existenţa eterului, a demonstrat că formula pentru coeficientul de antrenare al lui Fresnel rezultă din legea relativistă de compunere a vitezelor, presupunând că viteza corpului în care se propagă lumina este mult mai mică decât viteza luminii. Einstein menţiona în repetate rânduri importanţa experienţei lui Fizeau pentru confirmarea experimentală a teoriei relativităţii. În 1917, în cartea sa „Despre teoria relativităţii restrânse şi generale” el scria: „.Răspunsul la această întrebare este dat de o experienţă extrem de importantă, realizată cu mai mult de jumătate de secol în urmă, de către genialul fizician Fizeau şi repetată apoi de unii din cei mai iscusiţi fizicieni experimentatori, astfel că acest rezultat nu trezeşte nicio îndoială. Experienţa rezolvă problema următoare: lumina se propagă în apa aflată în repaus cu viteza u. Cu ce viteză se va propaga ea în tub … dacă lichidul amintit curge prin acest tub cu viteza υ ?” Mai jos Einstein scria: „Trebuie să menţionăm că, încă înainte de apariţia teoriei relativităţii, H. Lorentz a elaborat teoria acestui fenomen şi a argumentat-o din punct de vedere electrodinamic reieşind din anumite ipoteze privind structura electromagnetică a materiei. Dar acest fapt nu diminuează forţa de dovadă a experienţei lui Fizeau ca experimentum crucis în favoarea teoriei relativităţii, deoarece electrodinamica Maxwell–Lorentz pusă la baza teoriei iniţiale nu contrazice teoria relativităţii”.

Din cele expuse mai sus constatăm că una şi aceeaşi experienţă, cea a lui Fizeau, a fost considerată drept confirmare a două teorii care susţin puncte de vedere diametral opuse privind existenţa eterului. Fizicianul german Max Theodor Felix von Laue (1879–1960) a scris despre această situaţie în cartea sa „istoria fizicii” următoarele: „Astfel, istoria experimentului lui Fizeau este un exemplu instructiv care ne arată în ce măsură elementele teoretice intervin în interpretarea oricărui experiment; ele nu pot fi nicidecum eliminate. Şi dacă teoriile se schimbă, atunci o dovadă categorică pentru una devine uşor un argument tot atât de puternic în favoarea celei opuse”.

O problemă care l-a preocupat, mai mult de două decenii, pe Fizeau a fost legată de lucrarea fizicianului austriac Christian Johann Doppler (1803–1853), care a cercetat în mod teoretic influenţa mişcării sursei sonore sau de lumină asupra frecvenţei sunetului sau luminii recepţionate. În lucrarea „Despre culoarea stelelor duble şi

120 121

a unor aştri” (1842) Doppler a demonstrat că la apropierea sursei de oscilaţii de observator frecvenţa înregistrată de ultimul este mai mare decât cea în cazul în care sursa se află în repaus, iar la îndepărtarea sursei de observator situaţia este inversă („efectul Doppler”). În baza acestui fenomen, Doppler a încercat să explice culoarea stelelor duble, dar calculele efectuate au conţinut greşeli şi, în consecinţă, concluziile desprinse pe baza lor au fost eronate.

Teoria lui Doppler a fost confirmată experimental numai în cazul undelor sonore. În anul1845, în Olanda, Christian Heinrich Dietrich Buys-Ballot (1817–1891) a situat un grup de muzicieni pe o platformă de cale ferată ce se deplasa cu viteză constantă. În staţie, pe peron, cu un instrument muzical era produs un sunet de o anumită înălţime (frecvenţă), iar muzicienii de pe platforma în mişcare înregistrau înălţimea recepţionată. A fost examinată şi situaţia inversată: sunetul era produs pe platforma în mişcare şi era înregistrat de muzicienii aflaţi pe peron. Rezultatele obţinute se aflau în concordanţă cu formula lui Doppler. Având în vedere valoarea foarte mare a vitezei luminii comparativ cu vitezele Pământului şi a stelelor, Buys-Ballot considera că efectul Doppler nu poate influenţa culorile stelelor, punct de vedere susţinut de majoritatea fizicienilor.

Aceasta era situaţia în jurul acestui fenomen în anul 1848, când Fizeau şi-a publicat lucrarea „influenţa mişcării asupra tonului vibraţiilor sonore şi asupra lungimii de undă a razelor de lumină”. În prima parte a ei este descrisă o experienţă originală prin care a verificat formulele lui Doppler pentru undele sonore. Mai importantă este însă partea a doua a lucrării consacrată efectului Doppler în optică. Fizeau a menţionat just că înregistrarea variaţiei frecvenţei luminii în cazul spectrului continuu este practic imposibilă, ea fiind mult mai uşor de înregistrat în cazul spectrului de linii. Variaţia frecvenţei luminii se manifestă ca deplasare a liniilor spectrale. Fizeau a fost primul fizician care a introdus în ştiinţă conceptul de „deplasare a liniilor spectrale”, ceea ce a avut ca urmare adoptarea, în optică, a denumirii de „principiul Doppler–Fizeau” sau „efectul Doppler–Fizeau” pentru efectul Doppler. În lucrarea menţionată mai sus s-a propus chiar să se determine componenta radială a vitezei stelelor, în funcţie de valoarea măsurată a deplasării liniilor spectrale ale radiaţiei emise de stele. La acea vreme, această idee întru totul corectă nu a fost însă susţinută de

către fizicieni, care continuau să considere că efectul Doppler are loc numai pentru undele sonore, nu şi la cele de lumină.

Ideea lui Fizeau a fost readusă în circuitul ştiinţific după ce s-a stabilit că stelele au în componenţa lor elemente chimice care sunt cunoscute pe Pământ. Primul succes în determinarea vitezei radiale a stelelor prin metoda propusă de Fizeau a fost obţinut de către Br. Higgins, care între 1867 şi 1868 a determinat această viteză pentru Sirius, obţinând valoarea de 66,6 km/s. În anul 1870 Fizeau a publicat o variantă lărgită a lucrării sale din 1848, în care a atras atenţia asupra faptului că formula lui Doppler poate fi verificată determinând viteza punctelor de la marginea discului solar pe două căi: prima – măsurând deplasarea Doppler, şi a doua – cercetând mişcarea petelor solare. Această idee a fost materializată în anul 1870 de către Angelo Secchi (1818 – 1878), apoi în anul 1871 de către H. Vogel ş.a., care au confirmat formula lui Doppler pentru undele de lumină. Astfel, metoda propusă de către Fizeau şi-a ocupat locul cuvenit în astrofizică.

Între anii 1864 şi 1869 Fizeau a efectuat o serie de cercetări asupra dilatării termice a corpurilor. L-au interesat anomaliile dilatării termice. Acest fenomen este bine cunoscut pentru apă, care la încălzirea de la 0°C până la +4°C îşi micşorează volumul, densitatea ei fiind maximă la +4°C. Fizeau a stabilit că astfel de anomalii se observă şi la alte substanţe, de exemplu, la diamant, smarald, iodura de argint (ultima se contractă la încălzirea în intervalul de temperaturi de la –10°C până la 70 °C ).

El a efectuat de asemenea cercetări ample ale anizotropiei dilatării termice a cristalelor, fenomen descoperit încă în anul 1825 de către Eilhard Mitscherlich (1794–1863), care a stabilit că toate cristalele, în afară de cele cubice, la încălzire se dilată neuniform în direcţii diferite, prin urmare, la încălzire ele îşi modifică forma. Ulterior acest fenomen a fost confirmat şi de către Fresnel.

Pentru a studia dilatarea termică, Fizeau a propus o metodă ce avea la bază interferenţa luminii. Pe suprafaţa cercetată era aşezată o lentilă plan-convexă cu convexitatea pe această suprafaţă. Între cristal şi lentilă se formează o pană de aer de simetrie axială în cazul în care suprafaţa cristalului este plană. La căderea normală a luminii pe suprafaţa plană a lentilei se observă interferenţa luminii în această pană – inelele lui Newton. Dacă la încălzire cristalul se dilată neuniform în direcţii diferite, stratul de aer nu mai are simetrie axială, iar franjele de interferenţă nu

122 123

mai au forma unor inele. După abaterile acestor franje de la forma inelară se pot trage concluzii privind dilatarea termică a cristalului într-o direcţie sau alta. Metoda se aplică şi la cercetarea corpurilor necristaline.

Metoda propusă de către Fizeau este foarte precisă şi are o importanţă largă în metrologie. Comitetul Internaţional pentru Măsuri şi Greutăţi a adoptat această metodă pentru a determina deformaţiile metrului-etalon.

Fizeau a studiat şi dependenţa indicelui de refracţie al unor substanţe de diferiţi factori externi, a investigat, teoretic, reflexia luminii de la oglinzi în mişcare, a cercetat unele fenomene astrofizice etc.

A activat pe tărâm pedagogic, fiind mai mulţi ani profesor la renumita Şcoală Politehnică din Paris, contribuind la realizarea unor reforme ale procesului de predare a fizicii.

S-a stins din viaţă la 18 septembrie 1896.Meritele ştiinţifice ale lui Hippolyte Fizeau au fost recunoscute

şi apreciate încă în timpul vieţii: în anul 1860 a fost ales membru al Academiei din Paris, ulterior, în anul 1875 – membru al Societăţii Regale din Londra, a fost decorat cu Marea Medalie Ruhmkorff (în anul 1866). Numele lui Fizeau este prezent în mai multe capitole ale manualelor de fizică.

Ludwig Boltzmann(1844–1906)

Remarcabilul fizician austriac Lud-wig Boltzmann s-a născut la 20 februarie 1844, la Viena, într-o familie înstărită, tatăl său activând în domeniul financiar. Din fragedă copilărie, Ludwig trata cu seriozitate orice lucru sau ocupație care îi trezea interesul – colecţionarea fluturilor, studierea plantelor etc. A fost un elev sârguincios şi a manifestat capacităţi

intelectuale deosebite, evidente deja în anii de învăţătură la gimnaziu, pe care l-a absolvit cu menţiune specială.

În aceşti ani, Ludwig a luat şi lecţii de muzică (pian), avându-l ca profesor pe cunoscutul compozitor austriac Anton Bruckner (1824–1896). Dragostea pentru muzică a păstrat-o pe tot parcursul vieţii, compozitorii săi preferaţi fiind Mozart şi Beethoven. Avea o pasiune deosebită pentru lectură, putea să recite din memorie pasaje întregi din Homer, Goethe, Schiller, Shakespeare.

După absolvirea gimnaziului, Boltzmann a devenit student al Universităţii din Viena, unde a avut parte de profesori remarcabili, care au ştiut să-i cultive dragostea pentru fizică şi i-au direcţionat viitorul. În fruntea Catedrei de fizică a Universităţii era Josef Stefan (1835–1893), cunoscut prin lucrările sale în domeniul difuziunii şi conductibilităţii termice a gazelor, al conductibilităţii electrice a metalelor, în electromagnetism şi în optică. Anume prin influenţa acestui fizician se explică faptul că prima lucrare ştiinţifică a lui Boltzmann a fost „Cu privire la mişcarea electricităţii pe suprafeţele curbe” (1865).

Un alt fizician care a avut o mare importanţă pentru viitoarea carieră ştiinţifică a lui Boltzmann a fost Johann Joseph Loschmidt (1821–1895). Pe atunci Viena era centrul principal al cercetărilor în domeniul cristalografiei, domeniu în care a activat şi Loschmidt. El era un adept declarat al concepţiei atomiste şi a fost primul om care a calculat numărul de molecule dintr-un centimetru cub de gaz în condiţii normale (numărul lui Loschmidt). Tot Loschmidt a evaluat, pentru prima oară, diametrul molecular.

124 125

Graţie lui Loschmidt problema centrală a activităţii ştiinţifice a lui Boltzmann a devenit teoria cinetico-moleculară. O dovedeşte şi a doua lucrare ştiinţifică a sa, publicată în anul 1866, intitulată „Despre sensul mecanic al principiului al doilea al teoriei mecanice a căldurii”, în care se face încercarea de a argumenta teoretic principiul al doilea al termodinamicii pornind de la principiile mecanicii.

Pentru a rezolva problema pusă, era necesară elaborarea unui model mecanic al corpului încălzit. Boltzmann l-a conceput ca pe un sistem discret de puncte materiale – atomi, de a căror existenţă reală era ferm convins. În baza modelului adoptat, el a reuşit să obţină relaţia, stabilită anterior de către Rudolf Emmanuel Clausius (1822–1888), aplicând doar principiile termodinamicii pentru procesele reversibile.

Clausius a demonstrat că mărimea 2

1

QT∆∑ (unde ΔQ este cantitatea

de căldură schimbată de sistem cu sursa a cărei temperatură este T ) nu depinde de procesul reversibil de trecere din starea 1 în starea 2. Acest rezultat i-a permis lui Clausius să introducă în fizică o mărime nouă,

numită entropie, a cărei variaţie este 2

2 11

QS ST∆

− =∑ , suma fiind

calculată pentru orice proces reversibil de trecere din starea 1 în starea 2. Clausius a stabilit de asemenea că pentru orice proces ireversibil este

adevărată inegalitatea 2

2 11

Q S ST∆

< −∑ .

În anul următor Boltzmann a publicat lucrarea „Despre numărul de atomi din moleculele gazelor şi lucrul intern în gaze”, în care a considerat că o parte din energia transmisă gazului poate contribui la mărirea energiei de rotaţie şi de oscilaţie a moleculelor. În această lucrare el a ajuns la o concluzie foarte importantă: energia se distribuie uniform pe gradele de libertate ale moleculelor, iar energia cinetică medie ce revine unui grad de libertate este proporţională cu temperatura absolută T. Astfel, temperatura a fost interpretată din punct de vedere cinetico-molecular şi a putut fi generalizat un caz particular stabilit anterior de Clausius.

În anul 1871 Boltzmann publică o nouă lucrare „Despre echili-brul termic al moleculelor poliatomice”, în care a cercetat gazul aflat într-un câmp potenţial exterior şi a introdus o anumită funcţie f ce

caracterizează distribuţia moleculelor atât după viteze, cât şi după locu-rile lor în spaţiu. Mai târziu funcţia dată a fost denumită distribuţie de tip Maxwell–Boltzmann. În lipsa câmpului exterior ea trece în funcţia de distribuţie a moleculelor după viteze, funcție stabilită anterior, în anul 1859, de către britanicul James Clerk Maxwell (1831–1879).

Un an mai târziu Boltzmann a publicat încă o lucrare funda-mentală: „noi considerente privind studiul echilibrului termic al moleculelor de gaze”. Dacă în primele sale lucrări savantul încerca să argumenteze principiul al doilea al termodinamicii pornind numai de la principiile mecanicii, aici el îşi exprimă clar gândul că aceasta este imposibil, că „problema teoriei mecanice a căldurii este o problemă de calcul al probabilităţilor”. Devenise clară necesitatea aplicării metodelor statistice de cercetare, care ar permite stabilirea unor legităţi generale ce ar caracteriza întregul sistem termodinamic, independent de condiţiile iniţiale în care acesta s-a aflat. Evident, acesta a fost un salt calitativ în dezvoltarea teoriei cinetico-moleculare.

Dacă Maxwell a studiat gazele în stare de echilibru termic şi a obţinut pentru această stare funcţia de distribuţie ce-i poartă numele, Boltzmann a fost primul fizician care a cercetat gazele în stări diferite de cea de echilibru. Evident, distribuţia respectivă se deosebeşte de distribuţia Maxwell, dar la trecerea în stare de echilibru ea trece în distribuţia Maxwell. Boltzmann şi-a propus să obţină legea variaţiei funcţiei de distribuţie în procesul de trecere a gazului înspre starea de echilibru termic. În acord cu Boltzmann, variaţia respectivă este condiţionată de ciocnirile moleculelor gazului între ele. Ea a fost

exprimată sub forma unei ecuaţii matematice scurte: ( )ciocn.

df fdt

= ∆ ,

unde dfdt

este viteza variaţiei în timp a funcţiei de distribuţie, iar

( )ciocn.f∆ – viteza variaţiei sale în urma ciocnirilor dintre molecule.

Pentru ( )ciocn.f∆ a fost obţinută o expresie complicată ce conţine funcţia

f sub semnul integralei, din care cauză expresia respectivă a fost numită integrala ciocnirilor. Ecuaţia stabilită pentru variaţia funcţiei de distribuţie a gazului ce se află în stări diferite de cea de echilibru termic este cunoscută în prezent sub denumirea de ecuaţia cinetică a lui Boltzmann.

126 127

Pornind de la această ecuaţie, Boltzmann a demonstrat că mărimea nu poate decât să se mic-şoreze cu timpul, atingând în starea de echilibru valoarea minimă. Acest rezultat a intrat în ştiinţă sub numele de teorema H a lui Boltzmann. S-a stabilit apoi că funcţia H se deosebeşte de entropia S, introdusă de Clausius, doar prin semn: H S= − . În acest mod Boltzmann a argumentat principiul al doilea şi pentru procesele ire-versibile, cum sunt procesele de trecere înspre starea de echilibru.

În aceeaşi lucrare a fost utilizat şi un procedeu teoretic absolut nou de calculare a numărului de ciocniri dintre molecule, aplicând metodele combinatoricii. Este remarcabil de asemenea faptul că, pentru a descrie schimbul de energie în ciocnirile dintre molecule, Boltzmann a folosit un concept nou, cel de schimb discret de energii (existenţa unor porţiuni de energie). Ce-i drept, în formulele finale a considerat că aceste porţiuni de energie tind către zero şi a înlocuit sumele ce figurau în formule cu integralele corespunzătoare. Astfel, Boltzmann a intuit caracterul discontinuu al energiei cu 28 de ani înainte de Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858–1947), care a apreciat în modul cuvenit, adică favorabil, meritele predecesorului său.

Acestea sunt rezultatele ce se conţin în cele patru lucrări principale publicate de Boltzmann în anii 1866–1872. În prezent ele se studiază în cursurile universitare de fizică, iar unele noţiuni – chiar în liceu. Menţionăm că Boltzmann a publicat prima dintre aceste lucrări la vârsta de numai 22 de ani, iar a patra la 28 de ani!

Un alt rezultat fundamental a fost publicat în 1877. Boltzmann a introdus noţiunea de probabilitate termodinamică W a stării macro-scopice a sistemului de molecule, egală cu numărul de stări microsco-pice care corespund unei stări macroscopice date. El a stabilit că entro-pia S ~ lnW, adică trecerea gazului în starea de echilibru termodinamic, proces însoţit de creşterea entropiei, este o trecere din starea cu proba-bilitate mai mică în starea cu probabilitate maximă. Boltzmann a pro-pus pentru principiul al doilea al termodinamicii următorul enunţ: „Majoritatea fenomenelor din natură în care este implicat un număr enorm de particule se produc astfel încât orice schimbare ce se produce de la sine (fără compensare) reprezintă trecerea de la o stare cu probabili-tatea mai mică la o stare cu probabilitatea mai mare”.

Formula lui Boltzmann exprimă o relaţie simplă dintre două mărimi (care, apriori, par a fi independente): una – fizică, entropia, şi alta – matematică, probabilitatea termodinamică, care poate fi calculată prin metodele combinatoricii.

În anul 1906, Planck a introdus în formula entropiei un coeficient pentru a-i asigura corectitudine dimensională (aceleiaşi unităţi în ambele părţi) şi a scris formula sub forma lnS k W= . Factorul k a primit denumirea de constanta lui Boltzmann.

Boltzmann a efectuat cercetări şi în domeniul electromagne-tismului. El era un adept consecvent al teoriei câmpului electromagnetic a lui Maxwell şi în anii 1872–1874 a verificat experimental relaţia dintre permitivitatea relativă E r şi indicele de refracţie n, adică relaţia E r = n2, pentru parafină, sulf, aer, hidrogen, oxigen, dioxid de carbon. Aceasta a fost prima confirmare experimentală a unui rezultat teoretic stabilit în cadrul teoriei lui Maxwell.

Boltzmann a studiat influenţa câmpului magnetic asupra des -cărcării electrice în gaze, a făcut investigaţii în domeniul termo-electricităţii, al diamagnetismului, al efectului Hall.

În anul 1884 era preocupat de problematica radiaţiei termice a corpurilor. Pe cale experimentală, Stefan stabilise (în anul 1879) o relaţie empirică între emitanța energetică (energia emisă într-o unitate de timp de o arie unitară a corpului încălzit) şi temperatura corpului: Re ~T4. Existau însă şi date experimentale care nu concordau cu această relaţie. Aplicând teoria lui Maxwell (expresia pentru presiunea exercitată de radiaţia electromagnetică) şi legile termodinamicii, Boltzmann a dedus relaţia dintre radianţa energetică şi temperatura corpului negru (corpul ce absoarbe integral radiaţia incidentă pe suprafaţa lui): 0 4

eR Tσ== σ T4 – relaţie cunoscută în prezent ca legea Stefan–Boltzmann, în care σ este constanta Stefan–Boltzmann. Un alt mare fizician, olandezul Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928), a caracterizat deducerea acestei legi, dată de Boltzmann, ca o „perlă a fizicii teoretice”.

Întreaga activitate ştiinţifică a lui Boltzmann s-a desfăşurat în universităţi: la Graz (1869–1873 şi 1876–1890), la Viena (1873–1876, 1894–1900 şi 1902–1906), la München (1890–1893) şi la Leipzig (1900–1902). A predat cursuri de matematică (ecuaţii diferenţiale, teoria numerelor), mecanică analitică, teoria gazelor, teoria electricităţii şi a magnetismului, optică şi acustică, termodinamică, precum şi filosofie

128 129

naturală. La prima vedere, prelegerile lui Boltzmann nu păreau a fi expuneri pur academice ale cursului. Ele se evidenţiau prin rigoare, dar şi prin vervă şi pasiune, prin gestică şi prin utilizarea unor comparaţii reuşite. El le înviora relatând cu ingeniozitate întâmplări din viaţa sa.

Boltzmann a educat un şir de elevi-savanţi cu renume: Svante August Arrhenius (1859–1927) şi Hermann Walter Nernst (1864–1941), (ambii deveniți laureaţi ai Premiului Nobel), Paul Ehrenfest (1880–1933), L. Flamm (1885–1964), Hantaro Nagaoka (1865–1950), F. Hasenohrl (1874–1915), al cărui elev Erwin Schrödinger (1887–1961), fondator al mecanicii cuantice, a devenit laureat al Premiului Nobel ş.a.

Meritele ştiinţifice ale lui Boltzmann au fost înalt apreciate în timpul vieţii sale. A fost ales membru al Academiilor din Viena, Ber-lin, Londra, Paris, Sankt Petersburg, New York, Amsterdam, Roma, Torino, Washington, Stockholm, Uppsala, Saint Louis, Goettingen şi doctor honoris causa al Universităţii din Oxford.

Anii îndelungaţi de muncă încordată şi de luptă întru susţinerea atomismului într-o atmosferă de nerecunoaştere a acestuia au zdrun-cinat sănătatea şi sistemul nervos al lui Boltzmann. El şi-a pierdut aproape în întregime vederea, nu era în stare să citească, nu putea ţine prelegeri. La 5 septembrie 1905, fiind într-o stare de profundă depre-sie, şi-a pus capăt zilelor.

Rezultatele ştiinţifice şi ideile lui Boltzmann şi-au găsit o răs-pândire largă nu numai în fizică, ci şi în informatică. Ecuaţia cinetică a lui Boltzmann se aplică în fizica metalelor şi a semiconductoarelor, în fizica plasmei, în dinamica gazelor, în teoria transportului de neutroni, dar şi în alte ramuri ale fizicii şi ale ştiinţelor înrudite. În anul 1972, la Viena, a avut loc o conferinţă internaţională consacrată centenarului ecuaţiei cinetice a lui Boltzmann. Metodele elaborate de el joacă un rol determinant în teoria proceselor fizice de neechilibru, a proceselor chimice, biologice, ecologice etc.

Numele lui Boltzmann îl poartă în fizică: 1) distribuţia Maxwell–Boltzmann; 2) teorema H a lui Boltzmann; 3) relaţia Boltzmann

lnS k W= ; 4) ecuaţia cinetică a lui Boltzmann; 5) legea radiaţiei şi constanta Stefan–Boltzmann; 6) constanta universală k a lui Boltzmann.

În memoria lui Ludwig Boltzmann la Universitatea din Viena a fost înălțat un bust al fizicianului, iar pe clădirea Universităţii din Graz a

fost instalată o placă comemorativă. Strada din Viena pe care este situat Institutul de Fizică poartă numele Boltzmann-strasse. În iunie 1933 la mormântul savantului a fost dezvelit un bust (Fig. 46), pe al cărui soclu este gravată formula lnS k W= . La dezvelirea monumentului s-a spus că această formulă se va păstra şi atunci când toate monumentele vor fi îngropate sub molozul mileniilor.

Fig. 46

130 131

Wilhelm Konrad Roentgen(1845–1923)

Marele fizician german Wilhelm Konrad Roentgen, primul laureat al Premiului Nobel în domeniul fizi-cii, s-a născut la 27 martie 1845 în Lennep, un orăşel din Germania, în apropierea frontierei cu Olanda. La trei ani după naşterea fiului, tatăl său, Friedrich Konrad, un fabricant şi comerciant înstărit, şi-a transferat afacerile în Olanda, unde tânărul Wil-helm şi-a petrecut copilăria (mama sa

era olandeză, născută în Amsterdam). A învăţat la o şcoală primară privată, după care părinţii, dorind ca unicul fiu să moştenească afacerea familiei, l-au trimis pentru a-şi continua studiile la Şcoala Regală din Appeldoorn (Olanda), iar mai apoi la Zürich (Elveţia). Aici, pe parcursul a trei ani, a studiat la Şcoala Superioară de Ingineri, Facultatea de Mecanică şi Tehnică, avându-l ca profesor de fizică pe Rudolf Clausius (1822–1888) – savant renumit prin lucrările sale în domeniul termodinamicii.

După absolvirea cursului ştiinţifico-ingineresc, Roentgen a început să efectueze cercetări în domeniul fizicii experimentale sub îndrumarea profesorului August Kundt (1839–1894), recunoscut şi în prezent prin importantele sale cercetări în domeniul fizicii proceselor ondulatorii – a determinat viteza sunetului în corpuri solide şi în gaze, a studiat dispersia anomală a luminii, birefringenţa luminii în lichide ş.a. La 22 iunie 1869 lui Roentgen i-a fost conferită diploma de doctor în filosofie şi i s-a propus postul de asistent pentru studiul aprofundat al proprietăţilor unor gaze. În anul 1870 Kundt, însoţit de Roentgen, s-a transferat la Universitatea din Wurzburg, iar doi ani mai târziu, în 1872, ambii au ajuns la Universitatea Imperială din Strasbourg, universitate întemeiată în acel an. În anul universitar 1875–1876 Roentgen a activat ca profesor de fizică şi matematică la Şcoala Agricolă Superioară din Hohenheim, apoi a revenit la Strasbourg, fiind avansat în postul de profesor extraordinar de fizică matematică. Peregrinările lui Roentgen

au continuat. În 1879 a trecut la Universitatea din Giessen în fruntea Catedrei de fizică experimentală, iar la 1 octombrie 1888 a devenit profesor al Universităţii din Wurzburg şi director al Institutului de Fizică de pe lângă ea. În anul 1894 Roentgen a fost ales rector al acestei universităţi.

Pe parcursul vieţii sale, Roentgen îmbină activitatea de pedagog cu cea de cercetător ştiinţific. Primele investigaţii se referă la fizica lichidelor. El considera că o teorie a stării lichide poate fi elaborată numai pe un fundament solid de argumente experimentale. A început cu studiul compresibilităţii şi viscozităţii lichidelor şi al influenţei diferitor factori externi asupra caracteristicilor respective. A stabilit că viscozitatea apei se micşorează atunci când presiunea exterioară se măreşte, dar la alte lichide se observă o comportare inversă – creşterea presiunii este însoţită de mărirea viscozităţii. Pentru a explica această anomalie în comportarea apei, Roentgen a lansat o ipoteză îndrăzneaţă şi reuşită: moleculele de apă pot exista ca molecule separate H2O, dar se pot şi uni în complexuri (asociaţii) de molecule (H2O)2, (H2O)3,…, al căror conţinut este înfuncţie de factori externi ca presiunea şi temperatura. În baza acestei ipoteze a fost explicată şi anomalia dilatării termice a apei care la încălzirea în intervalul de temperaturi de la 0 oC până la +4 oC nu se dilată, ci se contractă, densitatea apei atingând valoarea maximă la +4 oC. La încălzirea apei în acest interval de temperatură creşte numărul de complexuri moleculare, ele ocupă un volum mai mic decât volumul ce l-ar ocupa separate moleculele respective, ca rezultat volumul apei se micşorează, densitatea ei creşte. Peste +4 oC numărul de complexuri moleculare scade, apa se comportă ca orice alt lichid.

Roentgen a cercetat tensiunea superficială a lichidelor, inclusiv fenomenele capilare. A acordat o atenţie mare studiului suprafeţei pure a lichidului, a elaborat o metodă originală de obţinere a acesteia. Lichidul intra într-o pâlnie prin tubul îngust din partea inferioară a ei şi se revărsa peste marginile superioare ale pâlniei. Astfel suprafaţa liberă a lichidului se reînnoia mereu, era o suprafaţă pură cu proprietăţi invariabile în timp.

Roentgen a realizat de asemenea studiul unor proprietăţi ale gazelor. A elaborat o metodă originală de cercetare a absorbţiei razelor infraroşii de către gaze. Vasul închis ce conţinea gazul respectiv era dotat cu un manometru foarte sensibil şi acesta măsura creşterea presiunii din vas la radierea gazului cu raze infraroşii. Aceasta i-a permis nu

132 133

numai să stabilească faptul că gazele absorb razele infraroşii, dar şi să caracterizeze cantitativ acest fenomen. A determinat experimental, cu un grad înalt de precizie, raportul căldurilor specifice la presiune şi la volum constant.

În anul 1879 Academia de Ştiinţe din Berlin a anunţat un concurs cu premii ce propunea savanţilor să realizeze o experienţă în care s-ar stabili legătura dintre forţele electrodinamice şi polarizarea dielectricilor. Se preconiza obţinerea răspunsului la întrebarea dacă este posibilă obţinerea curentului electric într-un mediu neconductor. În anul 1888 Roentgen a trimis la Academie descrierea experienţei respective, realizate de el, cu precizarea că o experienţă reuşită nu se realizează atât de repede (din cauza întârzierii, premiul nu i-a fost acordat).

În experienţă un disc dielectric era rotit în jurul axei sale geometrice. Discul se afla între plăcile unui condensator plan situat orizontal. Pe placa superioară, legată de pământ, era plasat un ac magnetic. La rotirea discului dielectric între plăcile condensatorului încărcat acul magnetic indica prezenţa unui câmp magnetic, deci a unui curent electric care generează acest câmp. Un astfel de curent putea fi asigurat numai de sarcinile electrice ale dielectricului polarizat (pentru a exclude curenţii electrici în plăcile metalice ale condensatorului, unele sectoare ale acestora erau înlocuite cu sectoare confecţionate din materiale izolatoare). La schimbarea polarităţii sarcinilor de pe plăcile condensatorului, pentru acelaşi sens de rotaţie al discului dielectric, acul magnetic înregistra un curent de sens opus celui din cazul precedent. Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928), fondatorul teoriei electronice a substanţei, a apreciat foarte mult această experienţă şi chiar a propus pentru curentul obţinut în acest mod numele de curent roentgen.

Roentgen a studiat, de asemenea, birefringenţa luminii în cristalele şi lichidele aflate în câmp electric. A mai cercetat influenţa presiunii asupra conductibilităţii electrice a soluţiilor, asupra difuziunii şi a unor reacţii chimice.

La 50 de ani, Roentgen era un fizician bine cunoscut, rector al Universităţii din Würzburg şi directorul Institutului de Fizică din cadrul ei.

În plină maturitate profesional-ştiinţifică, Roentgen se implică cu pasiune într-un nou domeniu de cercetări – domeniul descărcărilor electrice în gazele rarefiate, al căror pionier fusese fizicianul englez

Francis Hauksbee (1670–1713). Acesta construise o maşină elec-trostatică ce consta dintr-o sferă de sticlă care se afla sub clopotul de evacuare a aerului. Sfera se atingea de o bucată de postav. La punerea sferei în mişcare de rotaţie s-a observat (era anul 1706) că în locu-rile de contact ale ei cu postavul apar licăriri de lumină. Cercetările fenomenului au continuat abia după circa 130 de ani. În anul 1838 Michael Faraday (1791–1867) a introdus doi electrozi sub clopotul unei pompe de evacuare a aerului. Conectând electrozii la o sursă de tensiune electrică, a înregistrat curentul electric prin aerul rarefiat – descărcarea electrică, observând existenţa unei zone de luminozitate foarte slabă, numită ulterior spaţiul întunecat al lui Faraday.

În anul 1854, J. P. Gassiot a confecţionat tuburi de sticlă cu doi electrozi umplute cu gaze la presiuni de doar câţiva milimetri ai coloanei de mercur şi a cercetat luminiscenţa ce însoţeşte descărcarea electrică în ele. În anul următor Heinrich Geissler (1815–1879) a construit o pompă de vid mai performantă şi a confecţionat tuburi cu gaze la presiuni şi mai joase. În anul 1869 Wilhelm Hittorf (1844–1914) a descris fluorescenţa observată pe suprafaţa sticlei tubului în care se producea descărcarea electrică. Fenomenul a fost explicat doi ani mai târziu, în 1871, de către Cr. F. Varley (1828–1883), care considera că fluorescenţa este cauzată de ciocnirile cu sticla a unor „agenţi” emişi de catod. Aceşti „agenţi” au fost numiţi, în anul 1876, de către Eugene Goldstein (1850–1930), cu sintagma raze catodice. Goldstein admitea că aceste raze sunt de aceeaşi natură ca şi razele de lumină, însă se deosebesc de ele prin faptul că razele de lumină sunt emise în toate direcţiile, iar razele catodice sunt emise numai în direcţie normală la suprafaţa catodului.

Cercetările în domeniu au continuat şi, în anul 1879, William Crookes (1832 –1919) a realizat descărcări electrice prin gaze la presiuni şi mai mici, de miimi de torri (milimetri ai coloanei de mercur). Nu s-a mai observat luminozitate în interiorul tubului, în schimb a apărut o pată luminoasă pe peretele tubului din faţa catodului. Savantul a considerat că aceasta este condiţionată de acţiunea razelor catodice. A stabilit că ele se propagă rectiliniu în interiorul tubului, dar traiectoria lor se curbează în câmp magnetic, a observat acţiunea mecanică a acestor raze – ele roteau o morişcă uşoară aşezată în calea lor. Crookes a considerat că razele catodice prezintă o „materie radiantă” care ar fi o a patra stare de agregare a substanţei.

134 135

În anul 1883 Heinrich Hertz (1857–1894) a încercat să observe acţiunea câmpului electrostatic asupra razelor catodice, dar nu a reuşit, în schimb a demonstrat că ele pot penetra lame subţiri de aluminiu. În anul 1893 discipolul său, Philipp Lenard (1862–1947), a reuşit să scoată razele catodice din tub printr-o folie metalică subţire care înlocuia o porţiune de sticlă a peretelui din faţa catodului. Deoarece nu s-a reuşit observarea abaterii razelor catodice în câmp electrostatic, Hertz şi Lenard au susţinut ipoteza lui Goldstein privind natura ondulatorie a acestor raze.

În fine, în 1895 Jean Perrin (1870–1942) a construit un tub în interiorul căruia, în afară de cei doi electrozi, era plasat în calea razelor catodice un cilindru mic unit printr-un conductor la un electroscop. Perrin a stabilit că de fiecare dată când razele catodice cădeau pe cilindru, acesta se încărca cu sarcină electrică negativă şi astfel a ajuns la concluzia că razele catodice prezintă un flux de particule negative.

Aceasta era situaţia cercetărilor efectuate în diverse laboratoare pe parcursul mai multor ani de un număr însemnat de cercetători în domeniul fizicii descărcărilor electrice, la momentul în care Roentgen a început să se implice, să experimenteze el însuşi. A construit un tub în care obţinea raze catodice. Pentru a le detecta, a decis să utilizeze ecrane fluorescente. Acestea, sub acţiunea iradierii, emit lumină de o anumită culoare şi nu o mai emit la un timp foarte scurt după încetarea iradierii.

În seara zilei de 8 noiembrie 1895, Roentgen a pus în funcţiune tubul în care se produceau descărcările electrice. Instalaţia era acoperită cu o cutie din carton. La stingerea luminii în laborator, Roentgen a observat licăriri ale ecranului fluorescent aflat în afara cutiei. Care era cauza acestor licăriri? El ştia că razele catodice şi cele ultraviolete provoacă fluorescenţă, dar acestea sunt reţinute de stratul de carton. A devenit clar că aici se manifestă o radiaţie nouă, necunoscută până atunci. Roentgen a numit-o radiaţie X. A studiat de unul singur aceste raze enigmatice pe parcursul a 50 de zile şi abia la 28 decembrie a comunicat rezultatele obţinute la şedinţa Societăţii Fizico-Medicale din Würzburg, unde a prezentat şi manuscrisul lucrării intitulate „Cu privire la un nou gen de raze”.

În comunicare Roentgen a menţionat influenţa razelor X asupra

plăcii fotografice învelită în hârtie neagră sau aflată în casetă. La developare se observă clar regiunile expuse iradierii.

O mare parte din comunicare a ocupat-o expunerea rezultatelor ce se referă la capacitatea înaltă de penetraţie a razelor X. De exemplu, o carte cu circa 1 000 de pagini, o scândură cu grosimea de 25 mm, erau transparente (străvezii) pentru ele. Folia de staniol era de asemenea străvezie, dar dacă în calea razelor erau puse mai multe folii, atunci pe ecranul fluorescent se observa umbra lor. Placa de aluminiu cu grosimea de 15 mm slăbea considerabil fasciculul de raze X, dar nu oprea complet fluorescenţa. Cercetările au demonstrat că transparenţa corpurilor pentru aceste raze depinde, în mare măsură, de densitatea lor: transparenţa este mai mare la corpurile de densitate mai mică, şi invers. S-a stabilit că unele corpuri transparente pentru lumină sunt opace pentru razele X, şi invers. De exemplu, sticla cu plumb este transparentă pentru lumină, dar absoarbe razele X, iar foliile metalice subţiri se comportă invers, fiind opace pentru lumină şi transparente pentru razele X.

Atunci când între tubul în care se produceau descărcările electrice şi ecranul fluorescent s-a aflat mâna sa, Roentgen a văzut pe ecran umbra structurii ei osoase pe câmpul mai luminat al ţesuturilor moi. La 22 decembrie a „fotografiat” în raze X mâna stângă a soţiei sale Anna-Berta, purtând inelul de logodnă (Fig. 47). Calitatea acestei imagini lasă de dorit, dar ea a fost prima imagine obţinută cu ajutorul razelor X.

Roentgen a stabilit că radiaţia X este emanată în urma interacţiunii razelor catodice cu sticla peretelui tubului, – acţionând cu câmp magnetic asupra razelor catodice, locul în care acestea cădeau pe tub era deplasat. A obţinut radiaţie X generată la căderea razelor catodice pe o suprafaţă metalică.

Roentgen a demonstrat convingător că razele X şi cele catodice au proprietăţi complet diferite. Dacă par-cursul razelor X în aer este de circa 2 m (la această distanţă Fig. 47

136 137

ele încă produc fluorescenţă), cel al razelor catodice este de circa 100 de ori mai mic, razele X nu sunt influenţate de câmpul magnetic, pe când razele cato-dice sunt abătute de el.

În aceeaşi zi de 28 de-cembrie 1895, comunicarea lui Roentgen a fost editată în formă de broşură şi expediată celor mai cunoscuţi fizicieni din acei

ani. Broşura conţinea şi fotografia din Figura 47, precum şi fotografia în raze X a unei cutii închise din lemn care avea în interior mase marcate (Fig. 48).

Un exemplar al broşurii a ajuns la 2 ianuarie 1896 la Viena, la colegul său de studenţie Franz Exner, care în seara acelei zile şi-a adunat prietenii pentru a le aduce la cunoştinţă rezultatele lui Roentgen. Printre invitaţi era şi tânărul fizician Ernst Leher, care a scris un articol, „Descoperire senzaţională”, apărut a doua zi pe prima pagină a unui coti dian din Viena, al cărui editor era tatăl său. În articol era expusă esenţa descoperirii lui Roentgen şi era plasată imagi nea din Figu-ra 47, menționându-se aplica-rea largă a acestei descoperiri în medicină. În zilele următoare respectiva informaţie a fost pre-luată de un număr mare de ziare din întreaga lume.

Fizicienii au manifestat un mare interes pentru această des-coperire. Ei au repetat în la bo-ratoarele proprii experienţele

Fig. 48

Fig. 49

Fig. 50

lui Roentgen, folosind instalaţii primitive (Fig. 49) pentru a fotografia mâini cu diferite obiecte (Fig. 50). Mulţi fizicieni iluştri ca William Thomson, George Stokes, Henri Poincaré, Rudolf Kohlrausch, Ludwig Boltzmann ş.a. au expediat pe adresa lui Roentgen scrisori în care au apreciat la superlativ descoperirea sa.

La scurt timp a urmat prima aplicare a razelor X în medicină. În SUA, la 20 ianuarie 1896, în localitatea Dortmund (din statul New Hampshire), razele X au permis depistarea fracturii unui os al mâinii unui bărbat, pe nume Eddy McCarty.

La 23 ianuarie al aceluiaşi an, în aula mare a Institutului de Fizică a Universităţii din Würzburg, Roentgen a ţinut o conferinţă în care a expus pe larg rezultatele cercetărilor sale şi a răspuns la numeroase întrebări. Pe parcurs, în faţa auditoriului, a fotografiat în raze X mâna preşedintelui întrunirii, profesorul de anatomie Albert von Koelliker, care în faţa mulţimii uluite a propus ca aceste raze să fie numite raze roentgen, să poarte numele celui ce le-a descoperit, denumire acceptată şi utilizată în mai multe ţări. În seara acelei zile Roentgen a fost aclamat de populaţia oraşului şi de studenţii universităţii, care au organizat o manifestare cu făclii pe străzile oraşului cu luminile stinse.

Cea de a doua lucrare, prezentată de Roentgen la 5 martie 1896, conţinea două rezultate importante. Primul menţiona descărcarea corpurilor electrizate sub influenţa radiaţiei X. Aceasta se producea nu numai la căderea directă a radiaţiei pe corpuri, ci şi atunci când se propaga în vecinătatea lor. Roentgen a explicat fe no-menul prin ionizarea aerului, care, la rândul său, condiţionează descărcarea corpurilor electriza-te. Al doilea rezultat, menţionat tangenţial şi în prima lucrare, consta în gene rarea radiaţiei X nu numai la căderea razelor ca-todice pe sticlă, ci şi pe orice altă substanţă, inclusiv în stare lichidă sau gazoasă. În baza acestei con-cluzii Roentgen a construit un tub al cărui catod avea forma unei Fig. 51

138 139

oglinzi concave de aluminiu care focaliza razele catodice pe o placă de platină – anticatod, formând un unghi de 45o cu direcţia catod-anod (Fig. 51). Acest tub permitea obţinerea unei radiaţii X cu o intensitate mult mai mare decât de la alte tuburi existente atunci.

După un an, în martie 1897, Roentgen a publicat o a treia lucrare, unde a descris încercările sale nereuşite de a pune în evidenţă fenomene în care se manifestă proprietăţile ondulatorii ale acestei radiaţii. Lucrarea avea ca anexă fotografia în raze X a unui cartuş în interiorul unei arme de vânătoare. În fotografie erau vizibile unele defecte ale structurii interne a metalului, ceea ce a permis autorului lucrării să indice un nou domeniu de utilizare a razelor X – cercetarea structurii interne a corpurilor solide.

Anul 1896 a intrat în istoria ştiinţei drept anul radiaţiei Roentgen. În acel an au fost publicate 49 de cărţi şi peste 1 000 de articole consacrate acestei radiaţii. Mulţi fizicieni de vază ai secolului al XX-lea consideră însă că cercetările lui Roentgen expuse în cele trei lucrări menţionate mai sus au fost atât de fundamentale, încât pe parcursul următorilor circa 15 ani, în care s-a scris atât de mult despre ele, lor nu li s-a adăugat niciun rezultat important referitor la natura fizică a radiaţiilor X.

Roentgen era un om simplu, modest, nu acorda interviuri jurnaliştilor, nu a acceptat decoraţii şi titluri aristocratice ce i-au fost propuse de diferite state. A refuzat, de asemenea, propunerile întreprinzătorilor să breveteze descoperirea sa, susținând că ea trebuie să aparţină întregii omeniri. El nu a participat la construirea dispozi-tivelor în care se aplicau razele X, considerând că şi-a îndeplinit cu cinste misiunea sa de fizician, iar cu aplicaţiile practice a descoperirilor tre-buie să se ocupe inginerii.

A acceptat să primească în 1901 Premiul Nobel, considerat cel mai prestigios premiu ştiinţific din lume. Anul 1901 a fost primul an al decernării acestor premii, astfel că Roentgen se află în capul listei laureaţilor Premiului Nobel pentru fizică.

Descoperirea razelor X de către Roentgen a adus în discuţie problematica rolului întâmplării în realizarea acestora. El n-a făcut cunoscută istoria descoperirii sale. În majoritatea publicaţiilor se menţionează că, în seara zilei de 8 noiembrie, Roentgen era obosit şi se pregătea să plece acasă, a stins lumina şi vroia să închidă laboratorul, dar a uitat tubul pentru descărcări electrice în funcţiune şi, întâmplător, a observat fluorescenţa ecranului aflat lângă tub (cele ce au urmat au

fost expuse mai sus). Alţi autori consideră că, probabil, Roentgen dorea să cerceteze deteriorarea plăcilor foto învelite în hârtie neagră sub influenţa descărcărilor din tuburi. Acest fenomen era cunoscut de majoritatea celor ce studiau descărcările electrice, existând şi o „instrucţiune” nescrisă în această privinţă – plăcile fotografice trebuie păstrate cât mai departe de tuburile respective pentru a nu fi deteriorate, dar niciunul din ei nu şi-a pus problema să clarifice cauza fenomenului.

Renumitul chimist şi microbiolog francez Louis Pasteur (1822–1895) a menţionat în legătură cu aceasta că întâmplarea poate ajuta numai o minte coaptă, pe cel care ştie toate cele cunoscute pentru a fi ca-pabil să evidenţieze noul, pe cel care este receptiv pentru tot ce este nou. Roentgen a fost anume un astfel de om – a văzut ceva neobişnuit într-un fenomen observat şi de alţi fizicieni, a acordat o atenţie deosebită acestui fapt şi a realizat, în fine, o descoperire excepţională.

În anul 1900 Roentgen a acceptat invitaţia Universităţii din München şi a ocupat postul de director al nou-înfiinţatului Institut de Fizică al ei, precum şi pe cel de preşedinte al Societăţii Fizico-Metrologice. Aici l-a invitat în fruntea Catedrei de fizică teoretică pe renumitul savant Arnold Sommerfeld (1865–1951) şi i-a angajat cercetători pe doi tineri foarte promiţători, Petrus Josephus Wilhelmus Debye (1884–1966) şi Max Theodor Felix von Laue (1879–1960). Fiecare din ei a scris pagini noi, importante, în istoria razelor Roentgen.

În perioada în care a activat la această universitate, Roentgen a efectuat minuţioase cercetări în domeniul fizicii cristalelor. A stabilit că iradierea cu raze X a unor cristale are ca rezultat creşterea considerabilă a conductibilităţii lor electrice. A studiat (în 1912) comportarea coeficientului de dilatare termică a cristalelor în funcţie de temperatură la temperaturi foarte joase şi a arătat că acesta tinde spre zero atunci când temperatura scade către zero absolut, rezultat similar celui obţinut de către Walter Nernst (1864–1941) pentru căldura molară a cristalelor în aceleaşi condiţii. Ulterior a cercetat piezoelectricitatea (polarizarea electrică a unor cristale în urma deformării mecanice) şi piroelectricitatea (polarizarea electrică a unor cristale supuse unor variaţii de temperatură), a investigat relaţia posibilă dintre aceste fenomene. În acelaşi timp Roentgen urmărea în permanenţă cercetările ce aveau ca subiect razele X, a căror natură fizică nu era încă elucidată.

140 141

În anul 1899 Herman Haga şi Cornelis H. Wind, în Olanda, au lăsat razele X să treacă printr-o deschizătură sub formă de triunghi, care avea unul din unghiuri foarte mic, şi au fotografiat tabloul obţinut pe ecran. S-a constatat că imaginea pe ecran era ceva mai largă decât deschizătura, lărgirea fiind mai pronunţată în regiunea unde deschiderea unghiulară era mai îngustă, ceea ce este caracteristic difracţiei luminii. În baza experimentului s-a estimat lungimea de undă a radiaţiei X utilizate, ea nu trebuie să fie mai mare de 1 nm (10 9− m).

În anul 1900 C. Brukhes şi în anul 1902 R. Blondlot, în experienţe diferite, au stabilit că viteza razelor X diferă puţin de viteza luminii.

În anul 1906, printr-un experiment de dublă reflexie, englezul Charles Glover Barcla (1877–1941) a reuşit să observe polarizarea radiaţiei X. Experienţa sa nu demonstra însă, convingător, caracterul ondulator al radiaţiei, deoarece rezultatele ei puteau fi explicate considerând această radiaţie ca un flux de particule care se rotesc în jurul unor axe proprii.

În acelaşi an Barcla a descoperit radiaţia X caracteristică. Era deja cunoscut faptul că puterea de penetraţie a razelor este mai mare dacă gazul din tubul de descărcări este mai rarefiat şi tensiunea anod-catod este mai mare. Această capacitate de penetraţie nu depindea de metalul anticatodului. Barcla a utilizat tensiuni mai înalte decât predecesorii săi şi a stabilit că la valori de circa 25 kV apare o radiaţie care depinde de metalul din care este confecţionat catodul. Din aceste motive radiaţia a căpătat denumirea de radiaţie caracteristică.

Tot în anul 1906 E. Marx a stabilit că, în limita erorilor experimentului, viteza razelor Roentgen este egală cu viteza luminii. La aceeaşi concluzie au ajuns, în anul 1907, în urma experimentelor lor, James Frank (1882–1964) şi Robert W. Pohl (1884–1976).

În anul 1907 Wilhelm Wien (1864–1926) şi Iohannes Stark(1874–1957) au utilizat ultimele descoperiri din fizică pentru explicarea proprietăţilor radiaţiei X: faptul că razele catodice sunt un flux de electroni (electronul fusese descoperit de către Joseph John Thomson (1856–1940) în anul 1897), precum şi formula pentru energia cuantei de lumină, care a fost propusă în 1900 de către Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858–1947). Cunoscând energia electronilor incidenţi pe anticatod, ei au obţinut pentru lungimea de undă a radiaţiei X valoarea de 0,5 · 10-10 m.

În anii următori şi alţi fizicieni au repetat experienţa lui Haga şi Wind şi au concluzionat că lungimea de undă a radiaţiei X este de ordinul a 1 nm. Lipsea însă experienţa decisivă ce ar fi demonstrat în mod convingător care este natura acestei radiaţii – ondulatorie sau corpusculară.

O astfel de experienţă a fost realizată în 1912 în institutul condus de Roentgen. Din optică se ştie că difracţia luminii pe o reţea de difracţie – dispozitiv optic ce prezintă un sistem periodic de fâşii paralele transparente, separate de fâşii opace – poate fi observată clar dacă perioada reţelei – suma lăţimilor a două fâşii vecine – este de acelaşi ordin de mărime cu lungimea de undă a luminii. Pentru a produce fenomene de difracţie folosind în loc de lumină radiaţie X (lungime de undă de circa 1 nm), ar fi fost necesară o reţea de difracţie cu perioada cam de 1 nm. O astfel de reţea nu putea fi confecţionată în mod artificial.

Max von Laue s-a hotărât să folosească în acest scop reţeaua cristalină a corpurilor solide, a căror perioadă este comparabilă cu lungimea de undă a radiaţiei X. El a calculat teoretic ce formă ar trebui să aibă tabloul de difracţie dat de o astfel de reţea tridimensională. Experienţa a realizat-o împreună cu Walter Friedrich (1883–1968) şi Paul Knipping (1883–1935), doi colaboratori tineri ai lui Roentgen. Cu ajutorul unui sistem de orificii mici în plăci de plumb au generat un fascicul îngust de radiaţie X (Roentgen) şi l-au orientat pe un cristal de sulfat de cupru (piatră vânătă). În partea opusă cristalului,

Fig. 52a) b)

142 143

perpendicular pe direcţia radiaţiei incidente, la distanţe diferite faţă de cristal, au fost plasate plăci fotografice învelite în hârtie neagră. După câteva ore de incidenţă a radiaţiei X pe cristal, plăcile au fost developate şi pe ele au fost observate pete întunecate ce corespundeau maximelor din tabloul de difracţie prezis teoretic (Fig. 52). Distanţele dintre petele de pe placa b, care s-a aflat mai departe de cristal, erau mai mari decât distanţele dintre petele respective de pe placa a, care era mai aproape. Petele aveau dimensiuni egale, ceea ce denotă faptul că razele din fasciculul corespunzător fiecărui maxim sunt paralele între ele şi sunt generate de cristal. Asemenea experimente au fost repetate cu cristale perfecte nu numai la München.

În acelaşi an, 1912, fizicianul englez William Lawrence Bragg (1890–1971) a propus o modalitate de interpretare a tabloului de difracţie diferită de cea a lui Laue, considerând reflexia razelor Roentgen de la plane atomice paralele între ele şi cu suprafaţa cristalului. A stabilit condiţia pentru unghiurile dintre raza incidentă şi suprafaţa cristalului, ce corespund maximelor de difracţie. Împreună cu tatăl său, William Henry Bragg (1862–1942), au realizat experimentele respective care au confirmat conceptele teoretice. În baza acestor lucrări s-a propus utilizarea razelor Roentgen pentru analiza structurii cristalelor.

Astfel, a fost stabilit definitiv că radiaţiile Roentgen sunt unde electromagnetice cu lungimi de undă de ordinul nanometrului, de aproximativ o mie de ori mai mici decât lungimea de undă medie a luminii vizibile.

Cunoaşterea naturii fizice a razelor catodice – flux de electroni – şi a radiaţiei Roentgen – unde electromagnetice – a permis să se explice mecanismele generării acestei radiaţii, precum şi existenţa celor două genuri menţionate mai sus. În tubul de descărcare electrică electronii sunt acceleraţi de câmpul electric dintre catod şi anticatod şi obţin energia cinetică E cin = eU, unde e este valoarea sarcinii electronului, iar U – tensiunea de accelerare catod-anticatod. Nimerind pe anticatod, electronii acceleraţi interacţionează cu atomii lui şi se emite radiaţia Roentgen.

S-au evidenţiat două mecanisme de generare. Într-un prim caz, penetrând în interiorul anticatodului electronii sunt frânaţi şi emit radiaţie X „de frânare”. Energiile cuantelor sunt egale cu energiile pierdute de electronii incidenţi pe anticatod, care sunt frânaţi în

interior. Energiile au un spectru continuu, ele putând lua valori de la zero până la energia cinetică maximă a electronilor incidenţi. Egalând

energia cuantei , unde h este constanta lui Planck, c – viteza luminii

în vid şi λ – lungimea de undă a radiaţiei, cu energia cinetică maximă a unui electron incident eU, se determină uşor lungimea de undă

minimă a radiaţiei X : . Spectrul acestei radiaţii nu depinde

de materialul anticatodului, ci doar de tensiunea de accelerare U a electronilor în tub. Spectrul continuu al radiaţiei conţine lungimi de undă cu valori mai mari decât λmin .

Un alt mecanism se realizează în cazul în care electronii incidenţi pe anticatod posedă energii mari, suficiente pentru a ioniza atomii acestuia, extrăgând electroni profunzi, din vecinătatea nucleului. Locurile lor, rămase libere, sunt completate apoi de electronii aflaţi mai departe de nucleu. Această rearanjare a electronilor are ca rezultat transferul atomilor în stări cu energii mai mici şi emisia cuantelor de energie corespunzătoare, energii caracteristice pentru atomii din anticatod. În acest mod se explică radiaţia caracteristică descoperită de către Barcla.

Astfel, în anul 1912 a devenit cunoscută natura fizică a radiaţiei X, a fost stabilit mecanismul emisiei acesteia, iar ea a încetat a mai fi o enigmă.

Pe parcursul întregii sale activităţi ştiinţifice Roentgen a publicat circa 60 de lucrări ştiinţifice, în timp ce savanţi de talie inferioară lui publicau cu sutele, unii chiar şi peste o mie de lucrări. El îşi publica lucrările numai atunci când considera că rezultatele obţinute sunt definitivate şi bine argumentate. Evita concluzii şi generalizări pripite. În laborator muncea cu entuziasm, îi plăcea să confecţioneze totul cu propriile lui mâini.

Roentgen îşi pregătea cu minuţiozitate prelegerile, acorda o atenţie deosebită integrării în prelegeri a experimentului fizic. Expunea materia ţinând seama de ultimele descoperiri în domeniul respectiv, evidenţia esenţa experienţelor şi manifestarea legilor fundamentale ale fizicii în ele.

Din fragedă copilărie a practicat vâslitul şi alpinismul. Îi plăcea patinajul, călăritul şi era un vânător pasionat. În ceea ce priveşte

144 145

lectura, prefera descrierile de călătorie, biografiile şi corespondenţa persoanelor celebre.

În anul 1920, la vârsta de 75 de ani, a părăsit postul de profesor şi pe cel de director al institutului, rămânând doar preşedinte al Societăţii Fizico-Metronomice.

Roentgen s-a stins din viaţă la 10 februarie 1923. A fost doborât de cancer la stomac, care, se crede, ar fi fost provocat de radiaţia descoperită de el. Este înmormântat la Giessen.

Numele lui Roentgen a fost acordat unei unităţi extrasistem pentru doza de expunere la radiaţie. Un Roentgen (1 R) este doza de radiaţie care formează într-un 1 cm 3 de aer uscat la 0° C şi presiunea de 760 mm Hg atâţia ioni, încât sarcina totală a ionilor de fiecare semn să fie egală ca valoare cu 3 · 10-10 C.

Wilhelm Konrad Roentgen rămâne pentru totdeauna în fruntea listei laureaţilor Premiului Nobel pentru fizică. Lista conţine, de asemenea, şi numele altor mari fizicieni care au obţinut rezultate importante în cercetarea proprietăţilor radiaţiei Roentgen şi a aplicaţiilor acestora:

• în 1914 – Max von Laue – pentru descoperirea difracţiei radiaţiei Roentgen de către cristale;

• în 1915 – William Henry Bragg şi William Lawrence Bragg – pentru analiza structurii cristalelor cu ajutorul radiaţiilor Roentgen;

• în 1917 – Charles Glover Barkla – pentru descoperirea radiaţiei Roentgen caracteristice a elementelor;

• în 1924 – Karl Manne Siegbahn (1886–1978) – pentru desco-peririle şi cercetările din domeniul spectroscopiei radiaţiilor Roentgen;

• în 1927 – Artur Holly Compton ( 1892–1962 ) – pentru efectul Compton (fenomen ce constă în apariţia unor raze Roentgen (sau γ) cu lungime de undă mai mare decât cea a radiaţiilor incidente la difuzia lor în substanţă.

Unor cercetători din domeniul chimiei care au obţinut rezultate importante cu ajutorul razelor Roentgen, de asemenea le-au fost acordate premii Nobel:

• în 1936 – lui Petrus Debye – pentru contribuţia adusă la cunoaşterea structurii moleculare prin cercetările sale asupra momentelor de dipol şi asupra difracţiei razelor X şi a electronilor în gaze;

• în 1964 – lui Dorothy Crowfoot Hodgkin – pentru determinarea structurii unor substanţe biochimice (penicilina, vitamina B12) cu ajutorul difracţiei radiaţiilor X.

În fine, în anul 1962, trei biofizicieni: Maurice Hugh Frederick Wilkins (1916–2004), Francis Harry Compton Crick (1916–2004) şi James Dawey Watson (n. 1928) au obţinut Premiul Nobel în domeniul medicinei pentru descoperirea structurii dublu elicoidale a acidului dezoxiribonucleic, descoperire efectuată prin folosirea metodelor analizei structurale în baza radiaţiei Roentgen.

Astfel, descoperirea lui Roentgen şi cercetările ce s-au efectuat cu utilizarea ei au fost apreciate cu nouă premii Nobel.

146 147

antoine Henri Becquerel (1852–1908)

Ilustrul fizician francez Antoine henri Becquerel, cel care a descoperit fenomenul de radioactivitate naturală, face parte dintr-o vestită dinastie de fizicieni. Prin descoperirea sa, el a adus Franţei, în anul 1903, primul Premiu Nobel pentru fizică.

Fondatorul dinastiei a fost bunicul său, Antoine César Becquerel, născut la

8 martie 1788. După absolvirea unei şcoli de ingineri militari, a fost înrolat în armată şi a participat la campaniile lui Napoleon din Spania şi din Franţa. Demisionează din armată în anul 1815 şi se dedică cercetărilor ştiinţifice, iniţial în domeniul mineralogiei, apoi în fizică şi electrochimie. A observat piezoelectricitatea – polarizarea electrică a unor substanţe dielectrice în urma deformaţiilor mecanice (1819), a efectuat cercetări asupra termoelectricităţii (efectul Seebeck), a cercetat producerea unei tensiuni electromotoare într-un circuit constituit din conductoare de natură diferită, când locurile de contact se află la temperaturi diferite (1823), a comparat între ele conductibilităţile electrice ale unor metale şi a construit primul galvanometru diferenţial (1825). Tot el a observat, pentru prima oară (în anul 1827), respingerea magnetică a stibiului, adică diamagnetismul acestei substanţe.

În anii ’20 ai secolului al XIX-lea a fost observat fenomenul micşorării cu timpul a intensităţii curentului electric în circuite alimentate de elemente Volta – perechi de discuri din metale diferite (de exemplu, cupru şi zinc), perechile fiind separate cu straturi de materie sau carton îmbibate cu soluţie diluată de acid sulfuric. Un grup de savanţi, printre care şi A. C. Becquerel, au explicat fenomenul prin polarizarea plăcilor-electrozi. Curentul electric descompune apa în care este dizolvat acidul în oxigen şi hidrogen, oxigenul se depune pe electrodul pozitiv de zinc şi îl oxidează, iar hidrogenul se degajă la electrodul de cupru. Tensiunea de polarizare ce apare este opusă celei iniţiale şi, cu timpul, curentul se micşorează. A. C. Becquerel a reuşit să construiască (în anul 1829) primul element Volta cu un grad mai

mic de polarizare. În acelaşi an a fost ales membru al Academiei din Paris, iar în anul 1838 a devenit preşedintele ei.

În timpul unei călătorii la Veneţia, în vara anului 1835, a observat o fluorescenţă de o frumuseţe cu totul deosebită a Mării Adriatice, pe care şi-a dorit s-o explice. Începând cu acest an, fenomenul s-a aflat în centrul atenţiei tuturor fizicienilor dinastiei Becquerel.

Pentru a putea măsura cu precizie intensitatea curentului electric, Antoine César a construit în anul 1837 o balanţă electromagnetică, iar apoi, doi ani mai târziu, a inventat un element fotovoltaic. Începând cu anul 1850 a efectuat cercetări în domeniul electrometalurgiei. A fost activ până în ultimele clipe de viaţă, publicând – cu doar câteva zile înainte de a muri – o amplă lucrare ce rezuma cercetările sale asupra fenomenului electrocapilar. A încetat din viaţă la 18 ianuarie 1878, cu puţin timp înainte de a atinge vârsta de 90 ani.

Al doilea reprezentant al dinastiei, Alexandre Edmond Becquerel, fiul lui Antoine César şi tatăl lui Antoine Henri, s-a născut la 24 martie 1820, la Paris. Şi-a început activitatea ştiinţifică la frageda vârstă de 18 ani, în calitate de asistent al tatălui său.

A obţinut rezultate deosebite în cercetarea fosforescenţei. A inventat şi a construit un fosforoscop (Fig. 53, a) – dispozitiv ce permite determinarea experimentală a duratei postluminescenţei, adică a intervalului de timp în care durează emisia luminii de către corpul iluminat după încetarea acţiunii excitatoare. În interiorul unei cutii cilindrice, cu pereţii dubli, sunt introduse două discuri fixate pe un ax comun. Din ele sunt decupate câte patru sectoare de cerc, identice, astfel încât bisectoarele sectoarelor unui disc să formeze unghiuri de câte 45o cu bisectoarele sectoarelor discului al doilea (Fig. 53, b). Cu ajutorul unui sistem de roţi dinţate discurile pot fi puse în mişcare de rotaţie. În pereţii cutiei sunt confecţionate câte un orificiu, unul în faţa altuia. Pe un suport special (Fig. 53, c), pe linia orificiilor, este fixat corpul fosforescent. Acesta este iluminat prin orificiul dintr-un perete al cutiei la momentul în care între orificii şi corp se află unul din sectoarele decupate ale discului Fig. 53

148 149

respectiv. Lumina emisă de corp poate fi observată prin orificiul din peretele opus numai dacă durata postluminescenţei nu este mai mică decât timpul în care discurile se rotesc cu 45o, adică cu a opta parte din perioada de rotaţie a discurilor. Prin această metodă A. E. Becquerel a determinat durate de postluminescenţă destul de mici, de ordinul a 1/2000-a parte dintr-o secundă, şi a reuşit să stabilească legităţile atenuării în timp a radiaţiei fosforescente.

A. E. Becquerel a clasificat fosforescenţele după modul în care ele sunt generate, de exemplu, în urma acţiunii luminii, în urma încălzirii, în urma descărcării electrice în tuburi ş.a.

A stabilit trăsăturile caracteristice ale fosforescenţei generate de acţiunea luminii: razele de lumină de lungimi de undă mai mici produc acţiune fosforescentă mai puternică; orice substanţă fosforescentă emite lumina ei caracteristică, independentă de spectrul luminii incidente ş.a. A elaborat metode de preparare a unui şir de substanţe fosforescente noi şi a determinat regiunile de spectru necesare pentru excitarea fosforescenţei fiecăreia din ele. În anul 1842, în colaborare cu John Frederick William Herschell (1798–1871), a observat „lărgirea” spectrului de emisie al substanţelor fosforescente, care constă în prezenţa în lumina emisă a unor lungimi de undă mai mari decât cea incidentă. Acest fenomen a fost cercetat ulterior mai detaliat de către George Gabriel Stokes (1819–1903). Rezultatele cercetărilor fosforescenţei le-a publicat în lucrarea de sinteză „Lumina, cauză şi efecte” (1869).

În anul 1842 a reuşit să „fotografieze” razele solare ultraviolete (deoarece produc acţiune chimică mai puternică decât lumina vizibilă, în acele vremuri acestea erau numite „raze chimice”), situând în regiunea respectivă a spectrului hârtie îmbibată cu clorură de argint. Împreună cu Jean-Baptiste Biot (1744–1862) şi cu tatăl său (Antoine César), a stabilit că cristalul de munte, chiar cel de culoare neagră, este mult mai transparent pentru razele ultraviolete decât sticla obişnuită.

A studiat şi efectul Peltier, adică absorbţia sau degajarea de căldură în regiunea de contact a două conductoare de natură diferită în funcţie de sensul curentului prin acest contact. A construit un reostat cu lichid (1843), ceea ce i-a permis să cerceteze conductibilitatea electrică a lichidelor. Pentru o soluţie de sulfat de cupru a obţinut o valoare de circa 17 milioane de ori mai mică decât pentru cupru. A observat variaţia t.e.m. a elementelor galvanice sub acţiunea luminii–

aşa-numitul efect Becquerel sau fotogalvanic (1851), a cercetat conductibilitatea electrică a gazelor fierbinţi, incandescente (1853), a realizat numeroase cercetări în domeniul electricităţii atmosferice.

A. E. Becquerel a îmbinat activitatea ştiinţifică cu cea pedagogică– la Institutul Agronomic din Paris, la Şcoala de Arte şi Meserii, la Muzeul de Istorie Naturală.

Meritele sale au fost înalt apreciate: în anul 1863 a fost ales membru al Academiei din Paris, iar în anul 1880 a devenit preşedinte al Academiei. A fost membru al „Comisiei pentru unităţi” formată la primul Congres Internaţional al Electricienilor, care a avut loc în cadrul Expoziţiei Internaţionale de la Paris (1889).

A. E. Becquerel s-a stins din viaţă la 11 mai 1891 la vârsta de 71 ani.

Reprezentantul celei de-a treia generaţii de fizicieni francezi din dinastia menţionată, Antoine henri Becquerel, s-a născut la 15 decembrie 1852 la Paris. A absolvit Liceul Louis Legraine, unde l-a avut ca profesor pe tânărul şi talentatul matematician Gaston Darboux (1842–1917). Şi-a continuat studiile la Şcoala Politehnică din Paris, pe care a absolvit-o în anul 1874, apoi la Şcoala de Poduri şi Şosele. Cu siguranţă, pregătirea politehnică, inginerească, i-a permis să devină un experimentator iscusit, iar participarea la discutarea a numeroase probleme actuale de fizică, dintre bunic şi părinte, i-au fost de un folos deosebit, ţinându-l la curent cu ultimele descoperiri din domeniu.

Şi-a început activitatea la Şcoala Politehnică în postul de repetitor, iar apoi, după decesul bunicului (1878), mai mult de 30 ani a activat la Muzeul Naţional de Istorie Naturală, acolo unde a profesat bunicul şi continua să activeze tatăl său.

În prima lucrare publicată, „acţiunea câmpului magnetic asu-pra electricităţii” (1875), Antoine Henri a cercetat acţiunea magnetică asupra scânteii electrice, iar cea de a doua lucrare, intitulată „Studie-rea polarizării magnetice rotative” (1877), este consacrată stabilirii pe cale experimentală a relaţiei dintre unghiul de rotaţie al planului de polarizare a luminii în câmpul magnetic (efectul Faraday) şi indicele de refracţie al substanţei. A cercetat proprietăţile magnetice ale cobal-tului şi nichelului, observând că fierul acoperit cu o peliculă de nichel manifestă proprietăţi feromagnetice numai după încălzirea lui până la roşu. În anii 1878 şi 1880 a demonstrat că şi gazele, aflate în câmp magnetic, posedă proprietatea de a roti planul de polarizare a luminii.

150 151

În anii următori a studiat influenţa magnetismului terestru asupra atmosferei, în particular, influenţa straturilor de oxigen, aflat în câmpul magnetic terestru, asupra propagării luminii, a stabilit că proprietăţile magnetice ale ozonului sunt mai pronunţate decât ale oxigenului. Cercetând absorbţia luminii într-un şir de cristale, inclusiv în minerale, a demonstrat că spectrul de absorbţie al moleculelor nu depinde de anturajul lor, ceea ce permite identificarea acestora.

Pe baza cercetărilor efectuate, A. H. Becquerel a elaborat o valoroasă teză de doctorat pe care a susţinut-o în anul 1888. În anul următor a fost ales membru al Academiei din Paris.

Începând cu anul 1882, în laboratorul tatălui său, a participat la studierea fosforescenţei, fiind preocupat îndeosebi de manifestarea fenomenului în cauză la sărurile de uraniu. A stabilit că benzile de absorbţie ale sărurilor nefosforescente de uraniu coincid cu cele ale sărurilor fosforescente, ceea ce i-a permis să conchidă că, din punct de vedere molecular (intim), sărurile de uraniu se comportă într-un mod deosebit. Paralel, având preocupări polivalente, era interesat şi de alte teme de cercetare, de fotochimie, de electrochimie, de meteorologie ş.a.

Henri Becquerel s-a dovedit a fi un cercetător serios, foarte harnic şi perseverent. El obţinea „în serie” rezultate ştiinţifice importante, deşi nu spectaculoase. Ritmul obişnuit s-a schimbat la începutul anului 1896, când evenimentele au început să se desfăşoare într-o succesiune caleidoscopică.

La 20 ianuarie 1896, în şedinţa ordinară a Academiei de Ştiinţe din Paris, la care a participat şi A. H. Becquerel, celebrul savant francez Henri Poincaré (1854–1912) a făcut o comunicare cu privire la descoperirea razelor X de către Wilhelm Konrad roentgen (1845 –1923). De la unul la altul, treceau prin faţa ochilor participanţilor, imagini în raze X ale palmei umane, imagini obţinute deja la Paris. Comentând descoperirea făcută de Roentgen, H. Poincaré a menţionat faptul că razele catodice, ciocnind sticla tubului vidat, produc simultan, în acelaşi loc al spaţiului, atât luminiscenţa sticlei, cât şi invizibilele raze X. Acest fapt i-a permis să presupună că orice luminiscenţă este însoţită de emisia simultană a razelor X, ceea ce ar permite să se obţină aceste raze fără a utiliza tubul catodic.

Comunicarea a stârnit interesul multor fizicieni şi a provocat o adevărată avalanşă de experimente, în diverse laboratoare, care aveau ca scop depistarea substanţelor luminiscente ce ar emite şi raze X.

Ideea era destul de simplă: pe pelicula fotografică învelită în hârtie neagră erau plasate substanţe fluorescente, expuse anterior acţiunii luminii, apoi pelicula era developată pentru a stabili prezenţa sau lipsa razelor căutate. După numai trei săptămâni de la comunicarea lui Poincaré, la şedinţa din 10 februarie, Charles Henri a anunţat că ar fi descoperit proprietatea căutată la sulfura de zinc (ulterior el a infirmat această informație), iar la şedinţa din 17 februarie, Nivenglovski a anunţat obţinerea unor rezultate similare cu o altă substanţă – anume, la sulfura de calciu.

La următoarea şedinţă a Academiei, în 24 februarie, pe aceeaşi linie tematică, a făcut o comunicare şi Henri Becquerel, care a folosit ca substanţă bisulfatul de uraniu şi kaliu (cu o durată de postluminiscenţă destul de mică – de numai 0,01 s). Becquerel a lucrat foarte minuţios: a învelit placa fotografică într-un strat dublu de hârtie neagră şi a expus-o luminii solare pentru o zi. După developare a constatat că placa nu s-a înnegrit, deci hârtia neagră proteja foarte bine placa de lumina solară. A doua zi a repetat experienţa plasând pe hârtia neagră substanţa menţionată, probele având forma unor solzi de peşte. După developare, pe negativ, au apărut siluetele negre şi clare ale solzilor. A efectuat apoi experimente în care între probele cercetate şi hârtia neagră ce învelea placa fotografică situa monede şi plăcuţe metalice cu decupări din ele – pe negativ se observau contururile clare ale acestora. Astfel a stabilit că substanţa fosforescentă emite raze ce penetrează hârtia neagră, impenetrabilă pentru lumină, şi descompune sărurile de argint din placa fotografică. Se credea că ipoteza lui Poincaré a fost pe deplin confirmată. Fig. 54

152 153

Becquerel a continuat să experimenteze şi după această primă comunicare a sa. Hârtia neagră a fost înlocuită cu o cutie din aluminiu – razele invizibile penetrau şi pereţii ei. Dacă peretele de aluminiu era mai gros, intensitatea acţiunii asupra plăcii fotografice era mai mică.

Pentru ziua de miercuri, 26 februarie 1896, şi-a pregătit experimentul ca şi până atunci, cu dorinţa de a folosi Soarele ca excitant al solzilor de substanţă, dar cerul de deasupra Parisului era acoperit de nori şi a fost nevoit să-l amâne până la apariţia Soarelui. A pus placa fotografică învelită în hârtie neagră, cu solzii pe ea, în sertarul mesei de lucru. Zilele următoare au fost de asemenea înnourate şi Becquerel a putut continua experimentele doar duminică, la data de 1 martie. A decis, mai întâi de toate, să developeze placa aflată de câteva zile în sertar, la întuneric, şi, spre mirarea sa, a observat pe placă siluetele celor doi solzi din bisulfat de uraniu şi kaliu (Fig. 54). A repetat experimentul fără a expune sarea cercetată acţiunii Soarelui. A luat două plăci fotografice, pe stratul fotosensibil al uneia din ele a aşezat o lamă fină de sticlă, pe a doua – una din aluminiu, deasupra lor plasând probele cercetate. Plăcile pregătite au fost introduse într-o cutie cu pereţi opaci. După circa cinci ore a scos plăcile şi le-a developat. Pe ele au apărut siluetele probelor. Astfel a demonstrat că bisulfatul de uraniu şi kaliu emite radiaţie ce produce aceeaşi acţiune ca şi razele X. Postluminiscenţa dura doar 0,01 s, ceea i-a permis lui Becquerel să afirme că fenomenul observat nu are nicio legătură cu luminiscenţa.

La şedinţa Academiei din ziua următoare, 2 martie 1896, aceste rezultate au fost comunicate membrilor ei, dar fără a se trage concluzii privind esenţa fizică a fenomenului observat.

În continuare Becquerel a experimentat cu o serie întreagă de substanţe fosforescente, cu sulfuri de metale, pulbere de magneziu ş.a. Probele erau expuse zile întregi acţiunii luminii solare, însă pe plăcile fotografice nu apăreau niciun fel de imagini. Referitor la rezultatele comunicate de Charles Henri şi Nivenglovski Fig. 55

privind experimentele cu sulfuri, Becquerel s-a exprimat spunând doar că, posibil, plăcile fotografice folosite de ei au avut defecte, că, posibil, substanţele cercetate de ei se descompuneau sub acţiunea luminii şi emanau gaze ce pătrundeau prin porii hârtiei negre şi acţionau plăcile fotografice. A refuzat să creadă că cei doi ar fi putut trişa ştiinţa!

Cu totul alta era situaţia în experimentele cu săruri de uraniu, inclusiv cu cele nefosforescente – pe plăci, de fiecare dată, apăreau imaginile probelor. Acţiunea sărurilor de uraniu nu depindea de temperatură (într-un interval larg de temperaturi), nu depindea de aceea că ele se aflau sub formă de cristale sau de praf, în stare uscată sau în soluţii, ea depindea doar de cantitatea de uraniu în probe. A aşezat corpuri metalice pe placa fotografică învelită în hârtie neagră, a situat deasupra un carton pe care a presărat săruri de uraniu. La developarea plăcii, pe ea se observau imaginile corpurilor (Fig. 55).

Becquerel a studiat atent şi proprietăţile radiaţiei sărurilor de uraniu: ea ionizează aerul, asemenea razelor X, deci este capabilă să descarce corpurile electrizate. Măsurând intervalul de timp în care foiţele electroscopului iniţial încărcat se apropie între ele, a determinat viteza descărcării. A tras o concluzie importantă: intensitatea radiaţiei descoperite nu se modifică practic în timp.

Toate aceste rezultate au fost comunicate de către Becquerel la şedinţele Academiei din 23 martie şi 18 mai 1896. La ultima din ele a fost lansată ipoteza despre rolul cu totul deosebit al uraniului şi intenţia de a experimenta cu uraniu metalic.

În toamna aceluiaşi an, laboratorul lui Becquerel a fost vizitat de trei mari savanţi englezi: William Thomson, adică lordul Kelvin (1824–1907), William Ramsay (1852–1916) şi G. G. Stokes. Ulterior, Ramsay scria că ei au fost convinşi de tot ce au văzut, dar că au rămas nedumeriţi în legătură cu rezerva nelimitată de energie din sărurile de uraniu. Lordul Kelvin a propus o explicaţie a acestui fapt, explicaţie care în prezent pare destul de naivă, anume că uraniul ar prezenta o capcană de energie ce captează din spaţiu (un fel de) energie radiantă (care nu poate fi înregistrată în mod nemijlocit) şi pe care, ulterior, o transformă într-o altă formă de energie capabilă a produce acţiune chimică.

La finele toamnei, în şedinţa din 23 noiembrie, Becquerel a descris proprietăţile deosebite ale acestui metal, a cărui radiaţie este mai intensă decât a sărurilor lui, şi a propus ca ea să poarte denumirea de „raze de uraniu”. Alţi savanţi o numeau deja „raze Becquerel”. Niciuna din aceste denumiri nu s-a încetăţenit ulterior în fizică.

154 155

În anul următor, 1897, A. H. Becquerel a continuat studierea sărurilor de uraniu. Pare straniu, dar pe parcursul a circa doi ani el a fost singurul fizician care a studiat radiaţia acestor săruri. Toţi fizicienii activi se aflau sub influenţa senzaţionalei descoperiri a lui Roentgen, care era deja aplicată în practică.

La finele anului, Becquerel i-a propus lui Pierre Curie (1859–1906), fizicianului care era deja cunoscut prin lucrările sale în domeniul fizicii cristalelor şi al magnetismului, să colaboreze la studierea uraniului.Acesta, la rândul său, a recomandat-o pe soţia sa, Maria Curie-Sklodowska (1867–1938), licenţiată în chimie. Soţii Curie au cercetat mai multe elemente chimice cunoscute, precum şi compuşii lor, pentru a stabili dacă printre ele nu se află elemente (sau substanţe) care emit razele Becquerel. Această proprietate a fost descoperită la elementul toriu, fapt stabilit în acelalşi timp şi în Germania de către Erckhard Karl Schmidt (1865–1940).

Pentru a estima intensitatea razelor Becquerel, soţii Curie au construit un electrometru special care funcţiona în baza proprietăţii de a ioniza aerul. Ei au stabilit că „două minerale ce conţin uraniu … sunt mult mai active decât uraniul” şi au tras concluzia că „aceste minerale conţin, probabil, un element nou, necunoscut, a cărui activitate este mult mai intensă decât a uraniului”. Aceste rezultate au fost comunicate în şedinţa Academiei din 12 aprilie 1898, iar la cea din 18 iulie Becquerel a prezentat comunicarea soţilor Curie cu titlul „Despre o nouă substanţă radioactivă”, în care a fost anunţată descoperirea unui element chimic nou, caracterizat de o activitate mult mai mare decât a uraniului. S-a propus ca acest element nou, similar după proprietăţile sale chimice cu bismutul, să fie numit poloniu, în cinstea ţării de origine a Mariei Curie – Polonia (lucrarea respectivă a fost publicată în două limbi – în franceză şi în polonă), iar fenomenul descoperit de Becquerel să fie numit radioactivitate.

La finele anului 1898 soţii Curie au anunţat descoperirea, în aceleaşi minerale, a unui element radioactiv nou, de circa un milion de ori mai activ decât uraniul, care a fost numit radiu. În anul următor, 1899, Andre Debierne a descoperit o substanţă şi mai puternic radioactivă – actiniul. Astfel, după trei ani de cercetări, devenise clar că henri Becquerel a descoperit un fenomen fizic principial nou, caracteristic pentru o serie de elemente chimice şi substanţe care au în componenţa lor aceste elemente.

Cercetările ulterioare au permis să se stabilească natura radiaţiei emise de substanţele radioactive. Erau aplicate două metode: una avea la bază capacitatea radiaţiei de a penetra diferite corpuri, iar a doua – abaterea în câmp magnetic. Deja în 1899 Ernest Rutherford (1871–1937) stabilise că radiaţia uraniului era compusă din cel puţin două componente: una cu o capacitate de penetraţie slabă, reţinută până şi de o foaie de hârtie, denumită, pentru simplitate, radiaţie α, şi o a doua componentă, cu o putere de penetraţie mult mai mare, reţinută doar de plăci metalice de grosimea monedelor, care a fost denumită radiaţie β. Ulterior, Paul Villard (1860–1934) a stabilit şi existenţa unei a treia componente, cu o putere de penetraţie mult mai mare decât cea a razelor Roentgen. Ea a fost denumită radiaţie γ.

În anul 1900 Pierre Curie a stabilit că radiaţiile β se abat în câmp magnetic similar particulelor ce posedă sarcină electrică negativă, iar A. H. Becquerel a determinat sarcina specifică a acestor particule şi a obţinut o valoare apropiată de cea pentru electron. Astfel s-a ajuns la concluzia că particulele radiaţiei β sunt un flux de electroni, rezultat obţinut şi de alţi fizicieni.

În anul 1901 Becquerel a realizat un experiment riscant prin care a demonstrat marea capacitate de penetrare a radiaţiei radiului. Acesta a luat de la soţii Curie o fiolă cu clorură de bariu ce conţinea impurităţi de radiu şi s-a aşezat între un ecran fluorescent şi fiolă. Ecranul ilumina, ceea ce demonstra că radiaţia penetra uşor corpul uman. Becquerel purtase fiola în buzunar o zi întreagă şi după vreo zece zile a observat că partea corpului apropiată de locul unde s-a aflat fiola era înroşită. A apărut acolo o rană ce s-a vindecat cu greu. Astfel a fost descoperită acţiunea fiziologică a acestei radiaţii. Experimentul a fost repetat de către Pierre Curie, care a acţionat asupra mânii cu o fiolă similară circa zece ore şi a constatat înroşirea locului respectiv. Articolul comun, al ambilor savanţi, cu descrierea acestor observaţii, a văzut lumina tiparului la 3 iunie 1901.

La 13 noiembrie 1903 Antoine Henri Becquerel, Pierre Curie şi Maria Curie-Sklodowska au primit din Stockholm o telegramă care îi înştiinţa că Academia Regală de Ştiinţe din Suedia a decis să le acorde Premiul Nobel în domeniul fizicii pentru acest an. În diploma înmânată lui Becquerel este menţionat: „pentru descoperirea fenomenului radioactivităţii spontane”, iar în cele ale soţilor Curie: „pentru studiul radioactivităţii ”. În raportul prezentat la 11 decembrie 1903, a doua

156 157

zi după primirea înaltului premiu, Becquerel a motivat efectuarea de către el a experienţelor cu sărurile uraniului prin comportarea lor neobişnuită, manifestată în fosforescenţă şi în spectrele de absorbţie. El a menţionat că luminiscenţa era un fenomen studiat de trei generaţii cu numele Becquerel, că în această familie se ştia totul, sau aproape totul, despre ceea ce era cunoscut atunci în ştiinţă referitor la luminiscenţă. A. H. Becquerel notează: „Este destul de clar de ce radioactivitatea a fost descoperită în laboratorul nostru şi (pot să afirm că) dacă părintele meu ar fi fost în viaţă în 1896, el ar fi fost cel care ar fi realizat această descoperire”.

La 12 mai 1904, în Sala Mare a Muzeului Naţional de Istorie Naturală din Paris, A. H. Becquerel a prezentat un raport bine documentat, în care a făcut un rezumat al tuturor cercetărilor în domeniul radioactivităţii realizate până atunci, în Franţa şi în lume. În sala cu circa două mii de locuri se aflau mulţi savanţi de vază, repre-zentanţi ai ambasadei Suediei, preşedintele Franţei. După prelegere, Antoine Henri, împreună cu preşedintele, cu colegii şi prietenii, au vizitat „casa Cuvier”, ce aparţinea Muzeului Naţional şi în care locuise cândva ilustrul naturalist francez Georges Cuvier (1789–1832). În faţa casei se afla deja bustul acestuia. În „casa Cuvier” a locuit însă şi familia Becquerel, în ea a văzut lumina zilei Antoine Henri, descoperitorul „radioactivităţii spontane”. Tot în ea se afla laboratorul în care a fost făcută această descoperire. Vizitatorii s-au oprit în faţa bustului lui Cuvier. Apoi trecând mai departe, s-au oprit în faţa unei plăci memoriale, care tocmai fusese instalată, şi pe care era scris laconic: „În laboratorul de fizică aplicată, la 1 martie 1896, Henri Becquerel a descoperit radioactivitatea”.

Cercetările în domeniul radioactivităţii au început să atragă tot mai mulţi cercetători. Mărturie stă faptul că în anul 1905, la Liège, în Belgia, a avut loc primul congres internaţional consacrat studiilor în domeniul radiologiei şi al ionizării. Henri Becquerel a prezentat un referat de sinteză intitulat „analiza radiaţiilor substanţelor radioactive”, în care a caracterizat fiecare fel de radiaţie în parte, particularităţile lor specifice.

Meritele ştiinţifice ale lui Henri Becquerel au fost apreciate pe măsură: Academia din Paris i-a acordat membrului său titular toate distincţiile ce le-a avut la dispoziţie, Societatea Regală din Londra l-a ales membru.

În vara anului 1908 Becquerel se afla la odihnă în regiunea cea mai occidentală a Franţei, Bretagne, la gura râului Loire. După o boală de scurtă durată, Antoine Henri Becquerel s-a stins din viaţă la 25 august 1908.

Activitatea ştiinţifică în domeniul fizicii desfăşurată de dinastia Becquerel a fost continuată şi în cea de-a patra generaţie de către Jean Becquerel (1878–1953), fiul lui Antoine Henri. El a studiat propagarea luminii polarizate circular în medii magnetice, dispersia anomală a vaporilor de sodiu şi alte, numeroase şi pasionante, probleme de optică.

Numele Becquerel îl poartă astăzi unitatea de măsură pentru activitatea surselor radioactive (a radionuclizilor). Ea are simbolul Bq. Conform definiţiei, 1 Bq este egal cu activitatea nuclidului caracterizată de o dezintegrare pe secundă.

Pentru a evalua importanţa descoperirii lui Henri Becquerel este suficient să menţionăm că Albert Einstein (1879–1955) a comparat-o cu descoperirea focului, considerând că ambele descoperiri (a focului şi a radioactivității) sunt jaloane importante în istoria civilizaţiei. Dezvoltarea ştiinţei şi tehnicii în secolul al XX-lea a demonstrat într-un mod cât se poate de convingător justeţea acestei afirmaţii.

158 159

MăRTuRiSiRi aLe auTORuLui

Primele rânduri ale acestei lucrări au fost scrise cu mai mult de trei decenii în urmă, mai precis, în octombrie 1978, la solicitarea Televiziunii din Chişinău. În acel deceniu opt al secolului trecut, respectiva televiziune a organizat câteva cicluri de emisiuni despre Fizică. În primul rând, lecţiile televizate de Fizică (câte două emisiuni, cu durata de 40 de minute în fiecare lună, timp de trei ani) au apărut într-o perioadă în care se implementa o nouă programă de Fizică, precum şi noi manuale. Emisiunile aveau menirea de a veni în sprijinul elevilor şi profesorilor din întreaga ţară. Ele prezentau noi experimente şi rezolvări de probleme la temele nou-incluse sau expuse într-o modalitate diferită–de cea anterioară. Au urmat apoi olimpiadele televizate la fizică – o emisiune de 60 minute pe lună, duminica, la o oră de mare audienţă, în prima jumătate a zilei. La o emisiune erau propuse subiecte, unele dintre care aveau la bază experimente. Elevii trimiteau la televiziune scrisori cu soluţiile identificate de ei, juriul le evalua şi îi invita pe elevii care au propus cele mai bune soluţii la emisiunea următoare pentru ca ei să le aducă la cunoştinţă tuturor participanţilor la olimpiadă. Astfel, concursul olimpic se desfăşura în trei etape. Câştigătorii acestor etape erau invitaţi la etapa finală, la care erau propuse subiecte noi, erau desemnaţi învingătorii olimpiadei şi erau înmânate diplomele şi premiile cuvenite. Aceste olimpiade atrăgeau un număr mare de elevi. Comparativ cu alte emisiuni, pe adresa olimpiadelor televizate la fizică venea cel mai mare număr de scrisori (în limbaj modern, aceste olimpiade aveau cel mai mare rating tv). Au fost organizate atunci chiar şi emisiuni în cadrul cărora profesorii acordau consultaţii la fizică absolvenţilor şcolilor medii, pentru pregătirea examenelor de admitere în institutele de învăţământ superior.

Această atenţie, cu totul deosebită, a Televiziunii din Chişinău pentru fizică se explică prin prezenţa în postul de redactor al direcţiei de emisiuni didactice şi pentru tineret a unui om potrivit la locul potrivit, a domnului Eugen Zavtoni.

În luna octombrie a anului 1978 Domnia Sa mi-a telefonat şi m-a rugat să prezint la televiziune, într-o emisiune de 7 minute, viaţa şi activitatea ilustrului savant francez Joseph Louis Gay-Lussac (se consemnau două secole de la naşterea sa). Mi-am dat acordul şi în vreo trei săptămâni am scris şi am prezentat „scenariul emisiunii”–

aşa erau timpurile, cineva trebuia să aprobe scenariul, să vegheze ca el să nu conţină ceva ce nu ar fi convenit autorităţilor vremii. Aceasta a fost prima şi ultima dată când s-a făcut o mică relatare televizată despre un fizician notoriu. Fiind delegat de Institutul Pedagogic de Stat „Ion Creangă” din Chişinău, la care activam atunci, să particip la o conferinţă unională despre unele probleme actuale ale învăţământului, care s-a ţinut la Smolensk, eu nu am putut să îmi prezint în emisiune materialul „scenariului” realizat. L-am rugat atunci pe bunul meu coleg şi prieten, profesorul Anatol Casian, şef de catedră la Politehnică, să mă înlocuiască. Cei de la televiziune au acceptat „substituirea autorului”, deoarece ei nu mă puteau opri de la delegarea spre Smolensk şi trebuiau să îşi salveze emisiunea. Materialul în cauză, într-o formă uşor prelucrată, l-am publicat apoi, peste două decenii (mai exact, în anul 1999), în revista Evrika!.

Documentarea şi pregătirea materialului pentru respectiva emisiune şi, ulterior pentru publicare, mi-a oferit destule surprize plăcute. Am fost puternic impresionat de atitudinea savantului francez faţă de problema care îl frământa, curajul manifestat la efectuarea ascensiunilor în atmosferă, efectuarea unor ascensiuni la înălţimi record (pentru a lua probe de aer în vederea stabilirii compoziţiei lui) în condiţiile în care nu era sigur că va supravieţui. Pentru prima dată el a constatat că, în atmosferă, la înălţime, temperatura este mai mică decât la sol, contrar părerii existente în vremea sa, cum că la înălţime, mai aproape de Soare, temperatura ar trebui să fie mai mare.

Din acest moment am separat în biblioteca personală literatura privind diferite aspecte ale istoriei fizicii şi a personalităţilor care au contribuit la dezvoltarea ei. În deplasările la Moscova sau în alte oraşe mari vizitam librăriile, îndeosebi cele de carte veche, de unde mă aprovizionam cu literatură de acest gen. La revizuirea poliţelor de cărţi personale ale fratelui meu mai mare, Aurel, o parte din cărţile sale au completat biblioteca mea în domeniul istoriei ştiinţelor. Din păcate, în acea perioadă, neavând nicio posibilitate de a le publica, în afară de portretul consacrat lui Gay-Lussac, nu am mai scris şi alte eseuri.

Situaţia s-a schimbat radical la începutul anilor ’90. Un tânăr energic, domnul Iuliu Gheorghiciuc, a fondat revista de cultură ştiinţifică Sigma, o revistă color, editată pe hârtie de foarte bună calitate. Mi s-a propus să colaborez la ea, drept care, nu după mult timp, am prezentat câteva materiale, unul din ele despre genialul Michael Faraday. Materialul încă nu fusese pus în pagină când am

160 161

primit din România mai multe cărţi de fizică şi de istoria fizicii, printre ele şi cartea lui Dimitrie Leonida despre Faraday. Am citit-o cu sufletul la gură, din curiozitate desigur, dar şi pentru că mi-a făcut multă plăcere modul în care era scrisă. Deşi majoritatea lucrurilor din carte îmi erau cunoscute şi erau conţinute deja în materialul pregătit de mine, am aflat din această lectură destule lucruri noi. De pildă, nu ştiam nimic despre sondajul referitor la descoperirile ştiinţifice care au marcat în mod definitoriu secolul al XIX-lea şi la locul întâi ocupat de Faraday în cele trei clasamente distincte ale acelui „sondaj de opinie”. Am modificat începutul articolului, am mai făcut unele mici retuşuri şi l-am publicat în revistă. Cu regret, revista Sigma a avut o viaţă scurtă şi, după doar doi ani, şi-a dat obştescul sfârşit, printr-un dureros „atac de cord”, numit faliment.

În toamna anului 1992 am fost împreună cu un grup de elevi şi profesori de fizică din Republica Moldova la Concursul de fizică „Evrika” organizat la Brăila de profesorul Emilian Micu, cel care, împreună cu distinsa sa soţie, Florinela Micu, editează şi astăzi revista cu acelaşi nume. Dânsul mi-a propus să devin colaborator, să prezint materiale de interes pentru revistă, ceea ce am şi făcut, iar în martie 1993 am fost inclus în colegiul de redacţie al acesteia. În acelaşi an am participat cu diferite echipe de elevi la Olimpiada Naţională de Fizică de la Braşov, la taberele de fizică de la Braşov şi de la 2 Mai. Am cunoscut mai mulţi profesori de fizică, din diverse licee, dar şi un renumit profesor universitar – pe domnul Dan Iordache, de la Universitatea „Politehnica” din Bucureşti. Domnia Sa a publicat în revista Evrika!, numărul din octombrie 1994, un articol în care era pusă în discuţie problema studierii în licee şi în facultăţi a unor elemente de istoria fizicii, numind peste 40 de fizicieni care au avut lucrări cu totul remarcabile şi care ar trebui să fie cunoscuţi de elevi şi studenţi. Aveam şi eu întocmită o listă cu circa 60 de nume de fizicieni despre care doream să scriu. Lista publicată în revistă era parte a listei mele şi acest fapt m-a încurajat. După ce am citit nişte studii în care era analizată problema determinării vitezei luminii, am scris articolele despre Foucault şi Fizeau. Primul dintre ele l-am şi publicat în anul 1995 în revista Evrika!.

În cadrul Olimpiadei Naţionale de Fizică de la Galaţi, din pri-măvara anului 1995, şi, apoi, al Concursului „Evrika”, din toamna aceluiaşi an, desfăşurat la Brăila, l-am cunoscut pe profesorul Florea Uliu, de la Facultatea de Fizică a Universităţii din Craiova. Pasionat

asemeni mie de „Istoria fizicii”, Domnia Sa preda deja această disciplină studenţilor craioveni de la specializarea Fizică. Am făcut apoi cu dânsul, de-a lungul anilor, un benefic schimb reciproc de literatură din domeniul de comun interes şi am căzut de acord că este mult prea limitat accesul elevilor şi studenţilor la surse de informare bibliografică, în limba română, din acest domeniu. Domnia Sa m-a încurajat să perseverez pe linia pe care începusem şi, când se va fi adunat suficient material, să public o carte despre cei mai reprezentativi fizicieni ai planetei.

Pe parcursul anilor am scris despre mai mulţi fizicieni care şi-au înscris numele în marea carte a fizicii, publicând materialele în mai multe reviste, la Brăila, la Chişinău sau la Craiova. În anul 1998 am început să lucrez la o carte despre primii laureaţi ai Premiului Nobel în domeniul fizicii, cu intenţia de a o publica în anul 2001, la centenarul primei decernări a premiilor Nobel. Am şi scris articolele despre doi din primii laureaţi, Roentgen (1901) şi Becquerel (1903). Din păcate, atunci, proiectul meu nu s-a putut duce la bun sfârşit.

În anul 1999 mi s-a propus să particip la elaborarea manualelor şcolare de fizică, de gimnaziu şi liceu. M-am apucat serios de această muncă, la unele clase câştigând concursul, la altele – nu. Proiectul personal, legat de anul jubiliar 2001, nu a mai putut fi prioritar în activitatea mea, dar, când timpul mi-a permis, am continuat să scriu şi, iată, acum, am reuşit să definitivez o parte din articole, aducându-le între coperţile acestei cărţi. Aici sunt expuse biografiile a 15 fizicieni iluştri, sunt descrise rezultatele lor ştiinţifice, este evidenţiată influenţa acestora asupra dezvoltării ulterioare a fizicii şi a civilizaţiei zilelor noastre. Au fost aleşi anume aceşti fizicieni, şi nu alţii, deoarece programa liceală de fizică prevede studierea unora din fenomenele şi legile descoperite de ei.

Consultarea bibliografiei referitoare la istoria fizicii şi a făuritorilor ei mi-a demonstrat că noi cunoaştem nespus de puţin despre descoperirile lor. Din manualele şcolare cunoaştem, de exemplu, că Oersted a descoperit acţiunea curentului electric asupra acului magnetic situat în vecinătatea sa, că Henry a descoperit fenomenul autoinducţiei, la fel, câte ceva despre alţi savanţi. Dar ei au obţinut şi alte rezultate remarcabile. De pildă, danezul Oersted este descoperitorul aluminiului, americanul Henry a observat pentru prima dată descărcarea oscilatorie a condensatorului, adică oscilaţiile electromagnetice amortizate, Gay-Lussac a fost şi un redutabil chimist etc.

162 163

Cele 15 personalităţi pe care le prezintă cartea au trăit în secole diferite, au făcut studii diferite, unii au fost pur şi simplu autodidacţi. Cu toate acestea, pe toţi i-a caracterizat pasiunea iscoditoare şi năvalnică pentru ştiinţă, în particular pentru fizică, dorinţa de a înţelege ceea ce se petrece în jurul nostru, în natură, setea de a afla ceva nou, şi, de cele mai multe ori, nu numai într-un domeniu îngust, ci în domenii diverse, într-un areal mult mai cuprinzător. Paralel cu fizica, unii dintre ei au obţinut rezultate frumoase în chimie, în matematică, în mineralogie, în botanică etc.

Sper că această carte, prin ceea ce comunica ea, poate să fie utilă nu numai profesorilor de fizică, tinerilor de vârstă şcolară, ci şi părinţilor lor. Ea pune în faţa tuturor celor aflaţi la început de drum câteva modele demne de urmat, de viaţă activă, pasionată, de muncă şi de angajare tenace pentru a izbândi. Ea le poate induce elevilor şi studenţilor nu numai curiozitate şi interes, ci şi o atitudine serioasă faţă de activitatea de acumulare permanentă de noi şi diverse cunoştinţe. Ei trebuie să ştie nu numai cine au fost Elvis Presley , Beatles, ABBA sau Michael Jackson, ci şi cine au fost cei care au contribuit, într-un anume fel fiecare, prin paşi fundamentali, la civilizaţia tehnico-ştiinţifică a zilelor noastre.

La elaborarea lucrării mi-a acordat un ajutor inestimabil fratele mai mare, Aurel Marinciuc, punându-mi la dispoziţie lucrările de istorie a fizicii din biblioteca sa, nepotul Sergiu Cioclea, care a procurat lucrările ce au fost publicate în Franţa, în domeniul dat, în ultimul deceniu. Colegul de catedră, conferenţiarul universitar, dr. Spiridon Rusu, a fost primul lector al majorităţii materialelor scrise despre fizicieni, la unele din ele chiar coautor.

Distinşii profesori universitari, doctor Dan-Alexandru Iordache de la Universitatea „Politehnica” Bucureşti, doctor Florea Uliu de la Universitatea din Craiova, doctorii habilitați Anatol Casian şi Mihai Vladimir de la Universitatea Tehnică din Chişinău au citit cu atenţie manuscrisul lucrării, au formulat observaţii care au contribuit la îmbunătăţirea calităţii ei. Îmi exprim sincerele mele mulţumiri şi mă închin în faţa acestora în semn de profundă recunoştinţă.

Le mulţămesc anticipat tuturor cititorilor care îşi vor exprima opiniile asupra lucrării. Vom ţine seama de toate la o eventuală reeditare a lucrării într-o variantă lărgită.

Mihai MArINCIuC, mai 2011, Chişinău

BiBLiOGRafie

1. Baudet, Jean. Penser le monde. une histoire de la physique jusqu’en 1900. Paris, Vuibert, 2006.

2. Baudet, Jean. Expliquer L’univers. une histoire de la physique depuis 1900. Paris, Vuibert, 2008.

3. Boiu, Alexandru A. Celebrităţi ale ştiinţei. Bucureşti, Ed. Litera, 1982.4. Boudenot, Jean-Claude. histoire de la Physique et des Physiciens.

Paris, Ellipses, 2001.5. Chiorcea, Nicolae. Fizicienii laureaţi ai premiului Nobel. Bucureşti,

Teora, 1998.6. Chiorcea, Nicolae. Fizicieni şi inventatori celebri. Bucureşti, Ed.

Ştiinţă&Tehnică, 2001.7. Diaghilev F. M. Din istoria fizicii şi vieţii cercetătorilor ei (din rusă).

Chişinău, Lumina, 1989.8. Florea, I. C. Trei savanţi iluştri. Michael Faraday, James Clerk Maxwell,

henrich hertz. Bucureşti, Ed. Ştiinţifică şi Enciclopedică, 1978. 9. Gamov, George. Biografia fizicii (din engleză). Bucureşti, Ed.

Ştiinţifică, 1971.10. Holban, Ion. Pe serpentinele fizicii. Chisinău, Ştiința,1992. 11. Laue, Max. Istoria fizicii (din germană). Bucureşti, Ed. Ştiinţifică,

1966.12. Leonida, Dimitrie. Michael Faraday. Bucureşti, Ed. Tehnică, 1959.13. Maury, Jean-Pierre. une histoire de la physique sans les équations.

Paris, Vuibert, 2002.14. Roşescu, Teodor. Experienţe celebre în fizică. Bucureşti, Ed.

Știinţifică, 1966.15. Rousset, André et Six, Jules. Des Physiciens de A á Z. Paris, Ellipses,

2000.16. Stănescu, Corneliu Ioan. Curs scurt de istoria fizicii. Ed. Uni-

versităţii din Bucureşti, 2000.17. Азерников Валентин. Неслучайные случайности. Москва,

Детгиз, 1972.18. Андерсон Д. Открытие электрона (с английского). Москва,

Атомиздат, 1968.19. Араго Ф. Биографии знаменитыхъ астрономовъ, физиковъ и

геометровъ, том 2 ( с французского). Санктпетербургъ, 1860.20. Белькинд Л.Д. Андре Мари Ампер. Москва, Наука, 1968.21. Биографии великих химиков (с немецкого). Ред. Хайниг Карл.

Москва, Мир, 1981.22. Бобров Л.В. Лучи невидимого света. Москва, Атомиздат, 1964.

164 165

23. Васильев. История науки в коллекции монет. Москва, Квантум, 2007.

24. Выдающиеся физики мира. Рекомендательный указатель. Москва, 1958.

25. Гельфер Я., Лешковцев В. Андре-Мари Ампер. Ж. Квант, 11, 1975.

26. Гернек Фридрих. Пионеры атомного века (с немецкого). Москва, Прогресс, 1974.

27. Голин Г.М. Классики физической науки. Минск, Вышэйшая школа, 1981.

28. Голин Г.М., Филонович С.Р. Классики физической науки. Москва, Высшая школа, 1989.

29. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с древнейших времен до конца XVIII века. Москва, Наука, 1974.

30. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. Москва, Наука, 1979.

31. Дуков В.М.Электродинамика. История и методология макроскопической электродинамики. Москва, Высшая школа, 1975.

32. Дуков В.М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Москва, Просвещение, 1983.

33. Замечательные ученые. Сб. под ред. С.П.Капицы. Москва, Наука, 1980.

34. Капустинская К.А. Анри Беккерель. Москва, Атомиздат, 1965.35. Кошманов В.В. Георг Ом. Москва, Просвещение, 1980.36. Кудрявцев П.С. История физики. Москва, Учпедгиз, том

I,1956; том II, 1956; Просвещение, том III, 1971.37. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Москва, Просвещение,

1974.38. Кудрявцев П.С. Эванджелиста Торричелли. Москва, Знание,

1958.39. Лакур П., Аппель Я. Историческая физика, том I (с француз-

ского). Москва – Ленинград, Госиздат, 1929.40. Лакур П., Аппель Я. Историческая физика, том II (с французского). Одесса, MATHESIS, 1908.41. Лежнева О.А., Ржонсницкий Б.Н. Эмилий Христианович

Ленц. Москва – Ленинград, Госэнергоиздат, 1952.42. Липсон Г. Великие эксперименты в физике (с английского).

Москва, Мир, 1972.43. Льоцци Марио. История физики (с итальянского). Москва,

Мир, 1970.44. Мак-Дональд Д. Фарадей, Максвелл и Кельвин (с английского).

Москва, Атомиздат, 1967.

45. Манолов Калоян. Великие химики (с болгарского), том 1 и 2. Москва, Мир, 1976.

46. Манолов Калоян, Тютюнник Вячеслав. Биография атома (с болгарского). Москва, Мир, 1985.

47. Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе. Москва, Просвещение, 1981.

48. Полак Л.С. Людвиг Больцман. Москва, Наука, 1987.49. РжонсницкийБ.Н., Розен Б.Я. Э.Х.Ленц. Москва, Мысль, 1987. 50. Розенбергер Фердинард. История физики (с немецкого).

Москва – Ленинград, ОНТИ, часть 1, 1934; часть 2, 1937; часть 3, выпуск 1, 1935; часть 3, выпуск 2, 1936.

51. Спасский Б.И. История физики. Части 1 и 2. Изд-во Мос–ковского Университета, 1963.

52. Спасский Б.И. Физика в ее развитии. Москва, Просвещение, 1979.53. Спиридонов О.П. Л.Больцман. Москва, Просвещение,1987.54. Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике

(с английского). Москва, Мир, 1974.55. Тригг Дж. Физика ХХ века: ключевые эксперименты

(с английского). Москва, Мир, 1978.56. Филонович С.Р. Шарль Кулон. Москва, Просвещение, 1988.57. Храмов Ю.А. Физики. Киев, Наукова думка, 1977.58. Цверава Г.К. Джозеф Генри. Ленинград, Наука, 1983.59. Чолаков Валерий. Нобелевские премии. Ученые и открытия

(с болгарского). Москва, Мир, 1987.60. Явелов Б.Е. Случайное и закономерное в истории физических

открытий. Москва, Знание, 1982.

166

SuMMaRY

The work contains the exposition of the history of physics development as a science during the 17th – 19th centuries. The activity of the most representative personalities has been observed; they not only studied some phenomena, but also revealed their possible applications in practice. Some researches have been suggested by the solution of everyday life problems.

The first to be included in the list of brilliant physicists is the English scientist William Gilbert, who, in 1600, published the work “On the Magnet and Magnetic Bodies, and on That Great Magnet, the Earth”, in which all the knowledge on magnetic and electric phenomena, which had been accumulated starting with Thales of Miletus (624–547 BC), was systemized; the results of our own research have been added to it. Gilbert was a skilful experimenter (about 600 experiments carried out by him were described in the work), which is proved by the experiment represented in fig. 1 of this book as well as the construction of a compass, which was much better than those used by his predecessors. His merit consists in the fact that he drew the attention of the scientific world to the study of the magnetic and electric phenomena, boosted the research of the terrestrial magnetism.

The following scientists carried on their activities in this field of physics in the following centuries: Charles A. Coulomb, who invented the torsion balance to measure the small forces and used it to measure the interaction between the eclectic charges, thus establishing the law bearing his name; Hans Ch. Oersted, who discovered the influence of electricity on the magnetic needle, this establishing the tight connection between the electric and magnetic phenomena, which had been studied separately before him; André M. Ampère, who discovered and researched the interaction of the conductors through which electricity flows, established the expression for the interaction force between the parallel currents, on the basis of which the unit of electric current intensity is defined as a fundamental unit in International System and which bears his name; Georg S. Ohm, known by the law which permits the calculation on the simple electrical circuits; Michael Faraday, who discovered the phenomenon of the electromagnetic induction, on the basis of which electrical current can be obtained with the help of the magnetic field, and who researched thoroughly the phenomenon of electrolysis and established the respective laws; Joseph Henry, who

discovered the self-inductance and the oscillatory nature of electric discharge of the condenser through the solenoid; Heinrich F. E. Lenz, who formulated a general rule to determine the direction of the induced current. These scientists, through their researches, contributed to the wide utilization of the electric current in the industry and in everyday life. Thanks to them, the 19th century entered the history of civilization under the symbolic name of the century of electricity.

A remarkable physicist of the 17th century was Evangelista Torricelli, who was a disciple and continuator of the great Galileo Galilei. The researches connected to the flow of liquids through orifices and the discovery of the atmospheric pressure are connected to his name. The properties of gases and atmosphere were in the focus of the attention of Joseph L. Gay-Lussac, who was also known for his researches in the field of chemistry.

Two scientists, who were born at a five-day difference one after another, Jean B.L. Foucault and Hippolyte A. L. Fizeau, stand out for the independent experiments, by which the speed of the light in the air and in liquids was determined, which allowed proving that light is of undulatory nature. Foucault is also famous for the experiment that bears his name and which confirms the daily rotation of the Earth round its axis.

The physicist Ludwig Boltzmann stood out for his theoretical works which led to the recognition of the real existence of the atoms, which was doubted by many scientists. In the last decade of the 19th century, several epochal discoveries were made. Among them is the discovery of a radiation with a penetration force that had been unknown until then by Wilhelm K. Roentgen and which, in less than a month’s time after the discovery, found its first application in medicine. The discovery of radioactivity by Antoine H. Becquerel followed. For these discoveries, the authors were awarded the Nobel prizes – Roentgen in 1901 (the first prize in physics) and Becquerel in 1903; these prizes strongly influenced the development of science in the 20th century.

The physicists, whose scientific activity is described in this work, stood out for their attitude towards the work accomplished by them and can serve as an example for the young people nowadays.

The book is aimed at pupils, students and teachers, researchers and engineers, people of knowledge, in general.

Translated by Tamara MATEI

C u P R i n S

Prefaţă . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3Cuvânt-înainte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6William Gilbert . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Evangelista Torricelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17Charles Augustin Coulomb . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26André Marie Ampère . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38Hans Christian Oersted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50Joseph Louis Gay-Lussac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Georg Simon Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Michael Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71Joseph Henry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Heinrich Friedrich Emil Lenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98Jean Bernard Leon Foucault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105Hippolyte Armand Louis Fizeau . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 113Ludwig Boltzmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123Wilhelm Konrad Roentgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130Antoine Henri Becquerel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146Mărturisiri ale autorului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Mihai MarinciucfiZiCieni iLuŞTRi

Institutul de Studii Enciclopedice al Academiei de Ştiinţe a Moldovei