Charles Wheatstone

Izvor: Wikipedia
Charles Wheatstone
Wheatstone, crtež Samuela Laurencea iz 1868.
Rođenje 6. februar 1802. (1802-02-06)
Gloucester, Engleska
Smrt 19. oktobar 1875. (dob: 73)
Pariz, Francuska
Prebivalište Ujedinjeno Kraljevstvo
Polje fizika
Poznat po Wheatstoneov most, Playfair šifra, rani doprinosi spektroskopiji i telegrafiji

Ser Čarls Vitston (eng. Charles Wheatstone; Gloster, 6. februar 1802Pariz, 19. oktobar 1875) je bio britanski naučnik. Igrao je važnu ulogu u razvoju telegrafa, čije je funkcionisanje delom zasnovano i na principu Vitstonovog mosta koji je prvi izumeo Semjuel Hanter Kristi.

Život[uredi - уреди]

Čarls Vitston je rođen 6. februara 1802. godine u blizini Glostera. Pohađao je najpre lokalnu seosku školu u blizini Glostera, nakon koje je pohađao nastavu u nekolicini škola širom Londona. Jedna od tih škola se nalazila u Keningtonu u kojoj se istakao svojom sposobnošću brzog učenja. Kao dečak, bio je veoma stidljiv i osetljiv, i umesto jurnjave sa ostalom decom - sklon povlačenju na tavan i druženje sa sopstvenim mislima. Kada je napunio četrnaest godina postao je šegrt svog ujaka i imenjaka, koji se bavio proizvodnjom i prodajom muzičkih instrumenata, ali je pokazao skromno interesovanje za zanatstvo i preduzetništvo, obzirom da je više voleo da proučava knjige. Njegov otac ga je ohrabrivao u tome i kasnije ga odvojio od ujaka.

Sa petnaest godina, Vitston je prevodio francusku poeziju, i napisao dve svoje pesme, od kojih je jednu posvetio svom ujaku, koji je tu pesmu i objavio, ne znajući pritom da je autor njegov sestrić. Neki od njegovih stihova postali su moto Bartolocijevih gravura.

Niskog rasta za svoj uzrast, lepog lica i inteligentnih plavih očiju, on je često posećivao novinski kiosk u blizini mesta Pal Mal koje je tada bilo oronula i nepopločana varoš. Većinu svog džeparca trošio je na kupovinu knjiga koje su mu se dopadale, bile one bajke, istorijska, ili naučna štiva. Jednog dana, na iznenađenje prodavca knjiga, on je strasno zatražio knjigu o otkrićima naučnika Volte vezanim za elektricitet, ali pošto nije imao dovoljno novca on je založio svoj novac plativši kaparu za knjigu. Knjiga je bila napisana na francuskom jeziku tako da je ponovo bio u obavezi da štedi dok ne sakupi dovoljno novca za rečnik. Kada je konačno počeo sa čitanjem knjige, počeo je da, uz pomoć svog starijeg brata Vilijema, izvodi eksperimente opisane u knjizi uz pomoć kućne, ručno napravljene baterije, i to u sudoperi koja se nalazila iza kuće. Tokom konstruisanja baterije, dečacima je ponestalo para za kupovinu neophodnih bakrenih ploča. Tada su pri sebi imali samo nekoliko bakrenih novčića. U tom trenutku, Čarls je došao do izvanredne ideje, obzirom da je i bio inspirišući duh ovih eksperimenata: Moramo iskoristiti same novčiće, rekao je, tako da je baterija uskoro bila završena.

12. februara 1847. godine, Vitston se oženio. Njegova supruga je bila ćerka trgovca iz grada Taunton, zgodne spoljašnjosti. Ona je preminula 1866. godine ostavljajući za sobom petoro dece o kojima se nadalje brinuo sam Čarls. Njegov porodični život je bio povučen i skroman.

Iako je u javnosti bio rezervisan, Vitston je u privatnom životu bio otvoren i pričljiv po pitanjima svojih omiljenih istraživanja, svoje povučene ali aktivne ličnosti, svojih jednostavnih ali inteligentnih sklonosti, i sklon animiranju. Ser Henri Tejlor je rekao da je prilikom jednog večernjeg prijema na Oksfordu, primetio Vitstona kako javno Lordu Palmerstonu pripoveda o mogućnostima telegrafa koji je napravio. Nije valjda ! uzviknuo je državni činovnik. Ja vas moram dovesti pred Predsednika Gornjeg Doma. Tim rečima on ga je povezao sa Lordom Vestberijem, i izdejstvovao mu naučno oslobođenje. Možda je sećanje na ovaj razgovor navelo Palmerstona da zabeleži kako dolazi vreme kada će ministri moći da, kada ih iz Parlamenta upitaju da li je došlo do rata u Indiji, odgovore: Molim Vas da sačekate minut, moram se telegrafom javiti Vrhovnom Komandantu pa ću Vam javiti.

Vitston je 1868. godine odlikovan titulom viteza u čast pronalaska automatskog telegrafa. Prethodno je bio odlikovan titulom Plemića u Legiji Časti. Oko tridesetčetiri odlikovanja i diploma domaćih i stranih udruženja svedoče o njegovoj naučničkoj reputaciji. Od 1836. godine je i Član Kraljevskog Društva, a u 1837. je postavljen za dopisnog Člana Francuske akademije nauka. Iste godine je nagrađen Andre-Mari Amperovom Medaljom od strane Francuskog Društva podrške nacionalnoj industriji. Godine 1875. imenovan je za počasnog člana Instituta građevinskih inženjera. Stekao je i zvanja Doktora Građanskog prava na Oksfordu (D.C.L.) i diplomiranog pravnika na Kembridžu (LL. V.).

Prilikom posete Parizu u jesen godine 1875. i rada na usavršavanju uređaja prijemnika za podmorničke kablove, zadobio je prehladu, koja je prouzrokovala upalu pluća, i bolest usled koje je preminuo 19. oktobra 1875. godine. Komemoracija je održan u Parizu, u Anglikanskoj kapeli, uz prisustvo delegacije Akademije. Njegovi posmrtni ostaci su preneti u njegov domu u Park Kresent u Londonu i pohranjeni na groblju Kensal Grin.

Muzički instrumenti i akustika[uredi - уреди]

U septembru 1821. godine, Vitston je privukao na sebe pažnju javnosti izložbom Začarana Lira ili Akonkriptofon, u prodavnici muzičkih instrumenata u mestu Pal Mal i u Galeriji Adelaid. Izložba se sastojala iz imitacije lire koja je pomoću užeta bila zakačena za tavanicu i iz koje su izlazili zvuci nekoliko instrumenata – klavira, harfe i čembala. To je zapravo bila najjednostavnija rezonantna kutija čije je uže bila zapravo čelična šipka koja je prenosila vibracije muzike nekolicine instrumenata koji su svirali u drugoj prostoriji koja je bila van domašaja očiju i ušiju osoba prisutnih u galeriji.

U ovom periodu Vitston je sačinio brojne eksperimente vezane za prirodu zvuka i njegovo prenošenje. Neki od njegovih rezultata su sačuvani u Tomsonovim Analima Filozofije za godinu 1823. On je uvideo da se zvuk prenosi talasima ili oscilacijama atmosfere, kao što se za svetlost verovalo da je njihanje svetlosnoprenosnog etra. Voda i čvrsta tela, poput stakla ili metala ili naparenog drveta, prenose modulacije velikom brzinom, i on je na osnovu ovih principa smislio plan za prenošenje zvučnih signala, ili govora, na velika rastojanja. Procenio je da zvuk može putovati brzinom od 322 kilometara u sekundi kroz čvrste šipke, i predložio je da na takav način može poslati telegrafski signal iz Londona u Edinburg. On je čak ovaj svoj uređaj nazvao i telefon. Robert Huk je u svom delu Mikrografija, objavljenom 1667. godine napisao: uveravam čitaoce da sam, pomoću razapete žice, prenosio zvuk na veoma udaljena rastojanja u istom trenu, ili brzinom čija je veličina uporedljiva sa kretanjem svetlosti. Nije bilo bitno ni da li je žica bila pravolinijski postavljena; čak se mogla savijati i formirati krivine. Ovo svojstvo je bilo osnova mehaničkog telefona i Kinezima je bilo poznato pre nekoliko vekova. Huk je takođe razmotrio mogućnost povećanja čovečije sposobnosti sluha. Pisac časopisa Repository of Arts u broju časopisa od 1. septembra 1821. godine piše, osvrćući se na izložbu Začarana lira, o viziji opere koja se održava u Kraljevskom Teatru, a sluša u Hanoveru u teatru Square Rooms, ili čak u teatru Horns Tavern, u Keningtonu. Vibracije te opere bi se prenosile pomoću podzemnih provodnika, slično sprovođenju prirodnog gasa kroz cevi:

I kada bi bilo moguće tako prenositi muziku, primećuje autor članka, možda bi i reči bile podložne istom načinu prenošenja. Rasprave veća, debate Parlamenta, slušali bismo trenutno, umesto da o njima čitamo sutradan, -- Ali ćemo se izgubiti u traganju za ovako interesantnim ostvarenjem.

Vitstonov most[uredi - уреди]

Godine 1843. Vitston je Kraljevskom Društvu dostavio važan rad pod naslovom Objašnjenje nekolicine novih procesa određivanja konstanti u galvanskim kolima.. Rad je sadržao prikaz dobro poznate ravnotežne strukture kojom se meri električni otpor provodnika struje, koji se i danas naziva Vitstonov most ili Vitstonova ravnoteža, iako je prethodno otkriven od strane Semjuela Hantera Kristija, člana Kraljevske Vojne Akademike u Vulviču, koji je objavio svoje otkriće u časopisu Philosophocal Transactions godine 1833. Ova metoda je bila zanemarivana sve dok je Vitston nije ponovo stavio u centar pažnje. Njegov rad obiluje jednostavnim i praktičnim formulama vezanim za proračun struja i otpora na osnovu zakona Georga Simona Oma. Om je uveo jedinicu za električnu otpornost za bakarnu žicu mase 6,5 grama i pokazao je kako se ona može primeniti u merenju dužine žice na osnovu njene otpornosti. Kraljevsko Društvo ga je za ovaj pronalazak odlikovalo medaljom. Iste godine on je izumeo aparat koji je omogućio daljinsko očitavanje termometara ili barometara pomoću električne veze načinjene od žive. Zvučni telegraf, kojim su signali saopštavani udarcem zvona, takođe je patentiran od strane Kuka i Vitstona te iste godine.

Vitstonov most predstavlja, u električnom smislu, mernu vezu četiri otpornika i koristi se za precizno određivanje otpornosti. Šema Vitstonovog mosta je prikazana na sledećoj slici:

Datoteka:Vitstonov most.jpg
Šema Vitstonovog mosta

Pritom se šema praktično realizuje tako da su otpornosti tri otpornika poznate dok je četvrti otpornik zapravo onaj čiju otpornost merimo. Takođe, od tri otpornika poznate otpornosti, jedan mora biti podešljiv. Pomoću tog otpornika se podešava napon između tačaka C i D tako da iznosi nultu vrednost, odnosno da pokazivanje voltmetra V bude vrednosti nula. Kaže se da je tada most uravnotežen.

Kada je most uravnotežen tada su potencijali tačaka C i D jednaki pa su jednake i razlike potencijala (tj. naponi) između tačke A i tačaka C i D :

U_{AC} = U_{AD}

U_{CB} = U_{DB}

Kako je na osnovu Omovog zakona:

U_{AC}=R_1\cdot I_1

U_{AD}=R_3\cdot I_3

U_{CB}=R_{2}\cdot I_2

U_{DB}=R_4\cdot I_4

to se zamenom u jednačine jednakosti napona dobija:

\frac{R_1}{R_3}=\frac{I_3}{I_1}

i

\frac{R_2}{R_4}=\frac{I_4}{I_2}

Sa druge strane, kako je napon u grani CD, tj. kroz voltmetar, jednak nuli to je i struja Iv = 0 pa se na osnovu Kirhofovih pravila može pisati:

I_1=I_2

I_3=I_4

što zamenom u prethodnu jednakost konačno daje

\frac{R_1}{R_3}=\frac{R_2}{R_4}

što je jednakost koja predstavlja odnos otpornosti grana uravnoteženog Vitstonovog mosta.

Ova jednačina omogućuje da se otpornost bilo koje grane izrazi kao:

R_x=R_1=R_3\frac{R_2}{R_4}

U ovom primeru, ako je R1 nepoznata otpornost a R3 odaberemo za tačno poznatu otpornost, tada uz poznavanje samo odnosa R2/R4 možemo odrediti nepoznatu otpornost R1. Upravo ova ideja je poslužila u konstrukciji originalnog Vitstonovog uređaja za merenje otpornosti koji je izgledao ovako:

Datoteka:Vitstonov most orig.JPG
Šema Vitstonovog mosta sa otpornom žicom

Ovakva konstrukcija se često koristi u praksi. U njoj su grane AD i DB delovi jedne iste otporne žice konstantne debljine dok se veza sa voltmetrom ostvaruje kliznim kontaktom. Tako se poznavanjem samo položaja kliznog kontakta određuje odnos dužina delova L2 i L4. Zbog činjenice da se radi o žici od materijala konstantnog poprečnog preseka i konstantne gustine to na osnovu izraza za specifičnu otpornost, koji glasi:

R=\varrho\frac{l}{S}

(gde je ρ – gustina materijala žice, l – dužina žice i S – površina poprečnog preseka žice) vidimo da otpornost žice i njenih delova zavisi samo od veličina L2 i L4. Tako možemo napisati sledeću formulu:

R_x=R_3\frac{L_2}{L_4}

u kojoj je na osnovu tačno poznate otpornosti R3 i odnosa L2/L4 lako odrediti Rh. Za praktičnu primenu je neophodno napomenuti da se za R3 obično bira otpornik približne otpornosti onoj koju želimo izmeriti.

Spoljašnje veze[uredi - уреди]