Naša generácia je svedkom neuveriteľného pokroku v technológiách využívania elektromagnetických vĺn, ale každý pokus o tvorivé využívanie neviditeľného elektromagnetického žiarenia sa pôvodne stretol s prísnym skepticizmom. Elektrina je pre nás samozrejmosťou, bez nej by dnešný svet skolaboval a naše životy by sa vyvíjali inakšie. Približne pred 200 rokmi vedci zistili, že elektrina nie je viazaná len na prístroj, ale môže sa kontinuálne prenášať a spája sa aj s magnetizmom. Podnikatelia a technici sa o to, čo je elektrina, nezaujímali, ale chceli vedieť, čo dokáže. Pri telegrafe sa to prvýkrát ukázalo. Telegraf bol súčasne prostriedok na prenos energie, hoci malej, ale na veľkú vzdialenosť. Telegraf a jeho ovládanie na diaľku, to bol vtedy veľký objav.

Po komercializácii elektrického telegrafu, telefónu, distribúcii a používaní elektrickej energie, realizácii elektrických generátorov a strojov sa elektrotechnické inžinierstvo stalo identifikovateľným povolaním koncom 19. storočia. V prvých rokoch 20. storočia vedecká komunita pochopila podstatu elektrických javov. Rozvoj bezdrôtového prenosu správ a informácií bol prevratnou, ale iba jednou epizódou využitia elektromagnetického poľa (EMP). Objav a teoretický opis EMP a jeho technické využívanie boli tou najpodstatnejšou podmienkou ďalšieho rozvoja elektrotechniky. Podnietili rozvoj elektrických strojov, generátorov, železničnej dopravy, elektroenergetiky a priniesli rozvoj hospodárstva, ekonomickej a politickej moci.

Druhá svetová vojna priniesla obrovské zdokonalenia na poli elektroniky, obzvlášť vynájdením magnetrónu Randallom a Bootom na University of Birmingham v r. 1940. Rádiolokalizácia, rádiové komunikácie a rádiové navádzanie lietadiel boli v tom čase vrcholom. Bolo vyvinuté a zdokonalené tajné rádio, vysielačka a prijímač, ktoré používali členovia spravodajskej služby. Tommy Flowers zostrojil prvé elektronické počítačové zariadenie Colossus na rozlúštenie kódovaných správ nemeckého kódovacieho stroja Lorenz cipher. Vynález tranzistora a neskôr integrovaných obvodov znížil cenu elektroniky na takú úroveň, že ju môže využívať takmer ktorýkoľvek prístroj v domácnosti.

V UK sa elektronické inžinierstvo začalo odčleňovať od elektrotechnického priemyslu a okolo r. 1960 sa stalo samostatným univerzitným odborom. Predtým sa študenti elektroniky a príbuzných odborov, ako rádio- a telekomunikácie, museli zapísať na univerzite v ústave elektrického inžinierstva, lebo žiadna univerzita nemala ústav elektroniky. Elektrické inžinierstvo bolo najbližším odborom, s ktorým mohlo byť elektronické inžinierstvo spojené, pretože spoločné charakteristiky odborov sa prekrývali. Elektrické inžinierstvo bolo postupne delené na pododbory vrátane elektroniky, rádiofrekvenčného inžinierstva, telekomunikácií, číslicových počítačov, technickej údržby počítačov, elektroenergetiky, výkonovej elektroniky, spracovania signálov, prístrojov, mikroelektroniky a riadiacich systémov. Mnohé z týchto subdisciplín sa prekrývajú s inými inžinierskymi odvetviami.

Elektrotechnické inžinierstvo: profesionálna inžinierska disciplína

James Clerk Maxwell stimuloval viacero teoretikov z oblasti elektromagnetických javov, aby premýšľali v zmysle elektromagnetického poľa opísaného jeho rovnicami, ktoré Oliver Heaviside upravil do štyroch rovníc vo vektorovom tvare. V 90. rokoch 19. stor. boli už Maxwellove rovnice považované za základ jednej z najsilnejších a najúspešnejších teórií v celej fyzike; mali svoje miesto ako sprievodcovia, dokonca súperi Newtonových zákonov mechaniky. Pomohli pri objavovaní nových technológií, pri drôtovej a bezdrôtovej telegrafii, telefónii, rádiovej komunikácii, pri výrobe a prenose elektrickej energie, ale aj pri rozvoji a vzniku priemyselných odvetví.

V priebehu rokov 1880 – 90 využitie elektrotechnického inžinierstva dramaticky vzrastalo. Začiatkom 80. rokov 19. stor. bolo štúdium elektriny do značnej miery považované za čiastkovú oblasť fyziky. Až koncom 19. storočia univerzity začali poskytovať akademické hodnosti z elektrotechnického inžinierstva. V r. 1882 založila Technische Universität Darmstadt prvú katedru a prvý ústav elektrotechnického inžinierstva na svete, v r. 1883 zaviedla prvé kurzy elektrotechnického inžinierstva. V tom istom roku začal Massachusetts Institute of Technology poskytovať možnosť výberu štúdia elektrotechnického inžinierstva v rámci fyzikálneho ústavu.

V r. 1885 bol na Cornell University založený prvý ústav elektrotechnického inžinierstva v Spojených štátoch, na University College London zase prvá katedra elektrotechnického inžinierstva v Spojenom kráľovstve. University of Missouri založila následne v r. 1886 prvú fakultu elektrotechnického inžinierstva v Spojených štátoch. Univerzity a technické ústavy na celom svete postupne začali ponúkať svojim študentom študijné programy v oblasti elektrotechnického inžinierstva. Odborníci vytvárali globálnu elektrickú telegrafnú sieť a vznikali prvé profesionálne elektrotechnické inštitúcie v UK a USA na podporu novej disciplíny. V priebehu tohto obdobia výrazne narastalo komerčné využitie elektriny.

Na ČVUT v Prahe sa stal v r. 1884 Karel Domalíp prvým učiteľom elektrotechniky. Katedra elektrotechniky tam bola zriadená v školskom roku 1891 – 92. Elektrotechnika sa učila aj na Baníckej a lesníckej akadémii v Banskej Štiavnici (1896) v rámci predmetu fyzika a elektrotechnika. V r. 1904 bola v Banskej Štiavnici založená Katedra fyziky a elektrotechniky a od školského roku 1904 – 5 bol zavedený predmet elektrotechnika a prednášal ho štiavnicky rodák Gejza Boleman. V Banskej Štiavnici vyšli v r. 1907 prvé vysokoškolské skriptá Úvod do elektrotechniky z predmetu elektrotechnika a v r. 1917 prvá učebnica elektrotechniky, ktorú napísal G. Boleman.

Počas už uvedených rokov bolo štúdium elektriny do značnej miery považované za čiastkovú oblasť fyziky a štúdium vznikajúcich elektrických technológií sa v podstate považovalo za oblasť elektromechaniky. Teória elektrických obvodov sa vyvíjala zo začiatku len veľmi pozvoľna, k jej intenzívnemu rozvoju a tým aj k systematickému využívaniu Kirchhoffových zákonov dochádza až na prelome 19. a 20. storočia, a to v súvislosti s rozvojom a budovaním telekomunikačných a elektroenergetických systémov. Bolo to aj napriek tomu, že myšlienky o riešení elektrických obvodov G. R. Kirchhoff publikoval už v r. 1847, keď matematicky presne sformuloval oba zákony, ktoré dnes spájame s jeho menom. V monografiách o elektrotechnike z toho obdobia sa o Kichhoffových zákonoch hovorilo len sporadicky alebo sa vôbec neuvádzali.

Pozadie rozvoja elektrotechniky

Koncom 70. rokov 19. stor. mestá začali inštalovať vonkajšie elektrické osvetľovacie systémy založené na oblúkových svietidlách. Walter Baily mechanicky vytvoril v r. 1879 otáčavé magnetické pole, ktoré otáčalo v ňom uložený medený kotúč, v ktorom sa indukovali vírivé prúdy, pričom tie boli v interakcii s otáčavým magnetickým poľom. Ďalším Bailyho experimentom bolo vytvorenie asynchrónneho motora pomocou dvoch navzájom o 90° pootočených elektromagnetov striedavo napájaných jednosmerným prúdom. Medený kotúč sa otáčal nad pólmi elektromagnetov. Veľké dvojfázové generátory na striedavý prúd zostrojil britský inžinier J. E. H. Gordon v r. 1882.

Elektrifikácia sa začala, zjednodušene povedané, ako proces napájania, osvetľovania a pohonu pomocou elektrickej energie. Vo viacerých súvislostiach využívanie tejto energie spôsobilo oveľa väčšie zmeny, ako už predtým priniesli predchádzajúce zdroje energie. Význam termínu elektrifikácia je rovnako obsiahly ako história techniky a ekonomického rozvoja; zvyčajne sa elektrifikácia využívala v regionálnom alebo v národnom hospodárstve. Prebiehala ako proces výroby elektrickej energie a jej prenosu pomocou rozvodných sústav, ktoré vznikali v Británii, v Spojených štátoch, v Nemecku a v iných krajinách a rozvíjali sa od polovice 80. rokov 19. stor. až do zhruba 50. rokov 20. stor., a stále predstavuje pokrokovú technológiu vo vidieckych oblastiach v niektorých rozvojových štátoch.

Elektrifikácia sa začala v Godalmingu rok pred spustením Edisonovho osvetľovacieho systému v Pearl Street v New Yorku (1882). V spoločnosti Godalming Borough Lighting Committee uvažovali zaviesť vhodné osvetlenie mestskej časti elektrickým prúdom a s týmto úmyslom sa 3. septembra 1881 dohodli s Londýnskou elektrotechnickou firmou namontovať dve alebo tri elektrické svetlá ako experiment. Horná časť mesta Godalming bola na niekoľko hodín skúšobne osvetlená 26. septembra 1881 pomocou elektriny a odvtedy sa v tom pokračovalo každý večer.

Hnacou silou pri výrobe prúdu bolo prídavné pracovné vodné koleso na mlynoch Westbrook patriacich bratom Pullmanovcom; boli to kožiari, ktorí mali v pláne osvetliť svoje mlyny Swanovými svetlami a väčšie nezastavané plochy Siemensovými diferenciálnymi lampami, pričom každá mala svietivosť 300 kandela. Godalming nebolo iba prvé mesto na svete, kde sa zaviedlo elektrické pouličné osvetlenie, ale bolo aj prvým mestom, ktoré umožnilo elektrické osvetlenie v domácnostiach, ako to pripomína pamätná doska.

Thomas Edison chcel rozsvietiť New York, čo bol dovtedy najdrahší projekt. Na Manhattane bola postavená prvá americká elektráreň na jednosmerný prúd s rozsiahlou sieťou rozvodných káblov vo vzduchu. Celá sieť bola blízko jediného zdroja. Novinári Edisonovi ako geniálnemu vynálezcovi síce robili reklamu, ale jeho sieť nevyhovovala elektrifikácii predmestia. Jeho systém používal nízke napätie, bol síce bezpečný, ale odberatelia mohli byť rozmiestnení len do 1,5 km od elektrárne.

Patrí sa uviesť, že na realizácii žiaroviek sa v histórii podieľal celý rad výskumníkov, možno spomenúť napríklad Wiliama Roberta Grova, ktorý vynašiel vákuovú žiarovku (1840), v ktorej sa elektrickým odporovým ohrevom rozžeravila platinová špirála do biela. Dotvoril tak myšlienku, že pomocou elektrického prúdu sa dá získať elektrické svetlo pre domácnosti. Tento proces neskoršie dokončili Sir Joseph Wilson Swan a T. Edison.

V r. 1878 J. Swan vynašiel žiarovkové svietidlo, ktorého bavlnené žeraviace vlákno bolo v vákuovo zatavenej sklenej banke, a vytvoril elektrickú žiarovku v dnešnom ponímaní. Aj Edison začal skúmať vlákna vo vákuu (1879) a v mnohom len zdokonalil Swanovu lampu, nakoniec sa so Swanom dohodli, že jeden bude vyrábať žiarovky pre Európu a druhý pre Ameriku. Swanovi však nešlo o peniaze a s Edisonom sa o patentové práva nepreťahoval.

Swanova žiarovka bola pokročilejšia v tom, že používala odolnejšie celulózové vlákna, Edisonova žiarovka bambusové. Edison dlho na svojich vláknach trval, nakoniec začal používať rovnako celulózu. Firma, ktorá neskôr v rozšírení žiarovky zohrala zásadnú rolu, kúpila v roku 1883 oba patenty, Swanov i Edisonov, a nazvala sa Edison & Swan United Electric Light Company, často skrátene Ediswan. Žiarovka funguje na princípe odporového zahrievania vlákna elektrickým prúdom, ktorý ním preteká. Pri vysokej teplote vlákno žiarovky žiari ako absolútne čierne teleso v infračervenom, ultrafialovom viditeľnom spektre. Sklenená banka žiarovky je však pre ultrafialové žiarenie nepriepustná.

Pri otázke, kto vynašiel žiarovku, možno vychádzať z prác historikov Róberta Friedela a Pavla Izraela, ktorí uvádzajú 22 vynálezcov žeraviacich svietidiel pred Swanom a Edisonom. Konštatujú, že Edisonova verzia bola schopná prekonať práce ostatných vďaka kombinácii troch činiteľov: účinný žeraviaci materiál, vysoké vákuum, ktoré iní neboli schopní dosiahnuť (používaním Sprengelovej pumpy), a vysoká odolnosť spolu s rozvodom elektrickej energie z ekonomicky životaschopného sústredeného zdroja.

Historik Thomas Hughes pripisoval úspech Edisonovi vzhľadom na to, že vytvoril integrovaný systém elektrického osvetlenia. Na iných vynálezcov s generátormi, žeraviacimi svietidlami, s porovnateľnou vynaliezavosťou a vynikajúcou kvalitou sa potom zabudlo, pretože ako tvorcovia nerozhodovali o ich reálnom nasadení pre systémy osvetlenia. Dnes sa neoprávnene uvádza len Edison ako tvorca žiarovky s dlhou životnosťou.

Keby sa naďalej používal Edisonov systém elektrifikácie, pravdepodobne by rozvoj elektrotechniky mal iný priebeh a spomalil by sa. Do elektrifikácie však vstúpil ten, kto poznal riešenie. Nikola Tesla bol tým, čím Edison nebol. Tesla navrhol a presadzoval prenosovú sústavu so striedavým prúdom. Navrhol zníženie prúdu a zvýšenie napätia a tým zníženie strát pri prenose energie. Na zvýšenie, resp. zníženie napätia sa využívali transformátory. Snahu v rozsiahlej miere využívať elektrinu vyvinul v r. 1888 George Westinghouse a pridal sa na scénu viacfázového striedavého prúdu, keď kúpil práva na asynchrónny motor. Ten bol schopný uviesť sa do chodu samostatne, čo bola výhoda oproti predchádzajúcim typom motora.

Galileo Ferraris vyvinul viacfázový asynchrónny motor, N. Tesla vytvoril v rovnakom čase svoj vlastný návrh. V r. 1887 vyvinul indukčný motor, ktorý spájal energetické systémové usporiadanie so striedavým elektrickým prúdom a ktorý sa rýchlo rozširoval v Európe a v Spojených štátoch kvôli výhodám pri diaľkovom vysokonapäťovom prenose. Motor používal viacfázový prúd, ktorý generoval otáčavé magnetické pole na pohyb motora (princíp, na ktorý si Tesla robil nárok, a to za nápad z r. 1882).

Westinghouse sa rozhodol získať patent aj na podobný bezkomutátorový asynchrónny motor s otáčavým magnetickým poľom vyvinutým v r. 1885 a dokladovaným v marci 1888 talianskym fyzikom G. Ferrarisom; uvážil však, že Teslov patent by pravdepodobne ovládol trh. Westinghouse kúpil práva na motory oboch výskumníkov, aby nemal problémy, a pokračoval vo vývoji striedavej energetickej siete. Profesor Ferraris realizoval otáčavé magnetické pole so stacionárnym budiacim systémom, čo prezentoval na prednáške na Kráľovskej akadémii vied v Turíne v r. 1888. N. Tesla v tom roku získal patent na dvojfázový a trojfázový synchrónny motor. Až do r. 1891 prihlasoval sériu významných patentov na synchrónny motor, na prenos elektrickej energie viacfázovou sústavou a na jednofázový asynchrónny motor s pomocnou fázou.

Michail Dolivo-Dobrovolskij v r. 1888 zostrojil trojfázový asynchrónny motor s klietkovou kotvou a významne sa podieľal na vybudovaní teórie modernej prenosovej trojfázovej sústavy a jej zavedení do praxe. S podporou Oskara Millera realizoval prenos elektrickej energie z Lauffenu do Frankfurtu nad Mohanom (1891) na vedení 3 x 8,5 kV s dĺžkou 175 km. Dôležitá bola voľba vhodnej frekvencie v prenosovej sústave, okolo r. 1894 bola v USA zavedená frekvencia 60 Hz, o niečo neskôr sa jednotne zaviedla frekvencia 50 Hz v Európe. V r. 1917 bola spustená prvá automatická hydroelektráreň.

Poďakovanie

Táto práca vznikla vďaka podpore Vedeckej grantovej agentúry MŠVVaŠ SR a SAV (projekty č. 1/0320/19, 1/0135/20 a 1/0135/20.) a Agentúry na podporu výskumu a vývoja (kontrakty č. APVV-15-0257 a APVV-16-0059).

Literatúra

[1] NEBEKER, Frederik: Electric century. In: IEEE SPECTRUM, 2000, pp. 68 – 74.

[2] MAYER, Daniel: Seminární práce, která položila základy elektrotechniky (Příběh Gustava Roberta Kirchhoffa). Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2016, roč. 72, č. 4, s. 20 – 22.

[3] MAYER, Daniel. Jakým studentem byl Nikola Tesla? Pohledy do minulosti elektrotechniky. In: Slaboproudý obzor, 2017, roč. 73, s. 18 – 21.

[4] MAYER, Daniel: Heinrich Hertz a elektromagnetické vlny. In: Dějiny věd a techniky, 1989, roč. 22, č. 4, s. 209 – 222.

[5] WHITTAKER, Edmund: A History of the Theories of Aether and Electricity. London and New York Thomas Nelson and Sons Ltd. 1962.

[6] MAYER, Daniel: Pohledy do minulosti elektrotechniky. České Budějovice: nakladatelství Kopp 2004. 427 s. ISBN 80-7232-219-2.

[7] SARKAR, K. T. at all: History of Wireless. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. New Jersey 2006.

[8] BARRETT, R.: Popov versus Marconi: the century of radio. In: GEC Review, 1997, vol. 12, no. 2, pp. 107 – 116.

[9] SIMONS, R. W.: Guglielmo Marconi and early systems of wireless communication. In: GEC Review, 1996, vol. 11, no. 1, pp. 37 – 55.

[10] SLÁMA, J.: Podmienky vzniku a kontinuálneho progresu elektrotechniky (1). In: ATP Journal, 2018, č. 1, s. 36 – 37.

[11] SLÁMA, J. Podmienky vzniku a kontinuálneho progresu elektrotechniky (2). In: ATP Journal, 2018, č. 2, s. 36 – 38.

Jozef Sláma
FEI STU Bratislava
Ústav Elektrotechniky
jozef.slama@stuba.sk