Pravděpodobně neexistuje člověk, který by neznal jméno James Joel. Objevy tohoto fyzika se využívají po celém světě. Jakou cestou se vědec vydal? Jaké objevy učinil?
Život vynikajícího fyzika
James Joule se narodil 24. prosince 1818. Životopis budoucího fyzika začíná v anglickém městečku Salford, v rodině úspěšného majitele pivovaru. Chlapcova výchova probíhala doma, nějakou dobu ho učil fyziku a chemii John D alton. Díky němu se anglický fyzik zamiloval do vědy.
Joule neměl dobré zdraví, trávil spoustu času doma prováděním fyzikálních experimentů a experimentů. Již v 15 letech musel kvůli nemoci svého otce řídit pivovar se svým bratrem. Práce v továrně jeho otce mu nedala příležitost jít na univerzitu, a tak se James Joule věnoval výhradně své domácí laboratoři.
V letech 1838 až 1847 fyzik aktivně studoval elektřinu a dosáhl svého prvního vědeckého pokroku. V Annals of Electricity publikoval článek o elektřině a v roce 1841 objevil nový fyzikální zákon, který nyní nese jeho jméno.
V roce 1847 uzavřel Joule své první a jediné manželství s Amelií Grimes. Brzy majíNarodila se Alice Amelia a Benjamin Arthur. V roce 1854 zemřela jeho manželka a syn. Joule sám umírá v roce 1889 v Anglii, ve městě Sale.
Za svůj život publikoval asi 97 prací z fyziky, z nichž některé byly napsány společně s dalšími vědci: Lyon, Thomson atd. Za mimořádné vědecké úspěchy a objevení fyzikálních zákonů mu bylo uděleno několik medailí a obdržel doživotní penze od vlády Spojeného království ve výši asi 200 liber.
První práce a experimenty
Při pozorování parních strojů v otcově pivovaru se James Joule rozhodl nahradit je kvůli účinnosti elektrickými. V roce 1838 publikoval článek ve vědeckém časopise, ve kterém popisuje zařízení elektromagnetického motoru, který vynalezl. V roce 1840 se v pivovaru objevily nové elektromotory a fyzik pokračoval ve studiu elektrického proudu a uvolňování tepla. Později se ukázalo, že parní stroje byly mnohem účinnější.
Během experimentů vytváří Joule teploměry, které dokážou měřit teplotu s přesností 1/200 stupňů. To mu umožňuje ponořit se hlouběji do studia tepelného účinku proudu. V roce 1840 fyzik díky dalším pozorováním objevuje vliv magnetické saturace. V témže roce zaslal Královské vědecké společnosti práci „O vzniku tepla pomocí elektrického proudu“. Článek nebyl hodnocen. Pouze Manchester Literary and Philosophical Journal souhlasil s jeho zveřejněním.
Joule-Lenzův zákon
Ten článek, který Londýnská vědecká společnost neuznala, se později ukázal jako jeden z hlavníchúspěchy vědce. James Joule v článku hovořil o vztahu mezi aktuální silou a množstvím uvolněného tepla. Tvrdil, že množství tepla, které se uvolňuje ve vodiči, je přímo úměrné odporu vodiče, druhé mocnině síly a době průchodu proudu.
V té době podobnou teorii vyvinul Emilius Lenz. Skutečnost, že vodivost kovového vodiče závisí na teplotě, objevil ruský fyzik již v roce 1832. Pro přesné určení teploty ve vodiči vynalezl vědec speciální nádobu, do které se naléval alkohol. Drát, kterým procházel proud, byl spuštěn do nádoby. Dále se sledovalo, jak dlouho se bude alkohol zahřívat. Joule James Prescott použil podobnou metodu, ale jako kapalinu použil vodu.
Výsledky mnohaletého výzkumu Lenz publikoval teprve v roce 1843, ale v jeho spisech byla přesnější vědecká zdůvodnění než u Jouleho, jehož dílo zpočátku ani nechtělo být otištěno. Vzhledem k prvenství Joule a přesným výpočtům Emila Lenze bylo rozhodnuto pojmenovat zákon po obou. Postupem času položil Joule-Lenzův zákon základy termodynamiky.
Magnetostriction
Paralelně s vlastnostmi elektrického proudu studuje James Joule magnetické jevy. V roce 1842 si všimne, že železo mění svou velikost pod vlivem magnetických vln. Pokud jsou kovové tyče umístěny v magnetickém poli, jejich délka se mírně prodlouží.
Vědecká komunita pochybovala o existenci jakéhokoli objevu zde. Změna velikosti tyčí bylatak nepatrný, že ho lidské oko nemohlo zachytit. Fyzik však vyvinul speciální techniku, pomocí které získal vizuální důkazy.
Později se ukázalo, že tento účinek mají i jiné kovy a jev samotný se nazýval magnetostrikce. Nyní bylo nalezeno mnoho aplikací pro objev Joule. Například magnetostrikční kovy slouží jako materiál vlnovodu pro měření hladiny vody v nádržích. Tento jev se také používá k výrobě štítků v systémech proti krádeži.
Experimenty s plynem
Ve 40. letech James Joule aktivně studoval vlastnosti plynu, konkrétně jevy spojené s jeho expanzí a kontrakcí. Provedl experiment s expanzí zředěného plynu, přičemž dokázal, že jeho vnitřní energie nezávisí na objemu. Záleží pouze na teplotě plynu.
V roce 1848 Joule poprvé v historii fyziky změřil rychlost molekul plynu. Tato zkušenost byla ranou prací na kinetické teorii plynů, která dala podnět k dalšímu výzkumu v této oblasti. V Jouleově práci později pokračoval Skot James Maxwell.
Za významný vědecký přínos na počest anglického fyzika byla pojmenována jednotka pro měření práce, množství tepla a energie, Joule.
Joule a Thomson
William Thomson měl obrovský dopad na Jouleovy aktivity a jeho uznání ve vědeckém světě. Vědci se setkali v roce 1847, když Joule předložil zprávu o měření mechanického ekvivalentu tepla Britské asociaci vědců.
Předtím, než se Thomson Joule ve vědeckých kruzích nebral vážně. Kdo ví, možná bychom neznali fyzikální zákony, které objevil, kdyby William Thomas nevysvětlil jejich důležitost „snobům“z britské komunity.
Fyzici společně studovali vlastnosti plynů a zjistili, že plyn se při adiabatickém škrcení ochlazuje. To znamená, že teplota plynu (nebo kapaliny) klesá během průchodu otvorem (izolovaný ventil). Tento jev se nazývá Joule-Thomsonův jev. Nyní se tento jev používá k získání nízkých teplot.
Vědci také pracovali na termodynamické škále, pojmenované podle titulu lorda Kelvina, který patřil Williamu Thomsonovi.
Přiznání Jamese Joule
Anglického fyzika stále předstihla sláva a uznání. V 50. letech se stal členem Royal Society of London a byl oceněn královskou medailí. V roce 1866 obdržel Copleyovu medaili a později Albertovu medaili.
Joule se několikrát stal prezidentem Britské vědecké asociace. Získal titul doktora práv na univerzitách Dublin College, Edinburgh a Oxford.
Na jeho počest je socha na radnici v Manchesteru a památník ve Westminsterském opatství. Na odvrácené straně Měsíce je kráter James Joule.
Závěr
Slavný vědec, jehož jméno je dáno fyzikálními zákony a jednotkami měření, nemohl dosáhnout uznání. Díky jehovytrvalostí a prací se nezastavil před četnými neúspěchy. Nakonec prokázal právo na své místo pod sluncem, nebo alespoň na měsíčním kráteru.
