Comments Off on Elektromos mágnesség

By Gondozó, 2012. April 2 19:25

Az elektromos és mágneses jelenség első kutatói nyilván érezték, hogy a két jelenségcsoport között valami mélyebb összefüggés van, de nem tudták ezt bizonyítani. Észrevették, hogy a villám sújtotta hajók iránytűje pontatlan, és a XVII. század legismertebb elméleti fizikusának, Benjamin Franklinnek sikerül felmágnesezni egy tűt leydeni palack kisütése révén. De műhelyi kísérletekben az elektromos töltések nem befolyásolták a mágneseket, ugyanígy a mágnesek hatástalanok voltak az elektromos töltésre. Ezen erők kapcsolatáról 1807-be Thomas Young írásban nyilatkozott, hogy semmi okuk nincs feltételezni közvetlen kapcsolat létezését a mágneses és a villamos erők között.
Az elektromosság és a mágnesség közti kapcsolat felfedezésének dicsősége Hans Christian Oersted (1777. aug. 14. – 1851. már. 9.) dán fizikusé, aki, miután Volta munkájáról hallott, szintén szerkesztett egy elektromos oszlopot, és ezzel különböző kísérleteket végzett. 1820-ban egy tavaszi reggel, amikor a koppenhágai egyetem felé indult, hogy megtartsa előadását, a következő gondolata támadt: ha a statikus elektromosság semmiképpen sem befolyásolja a mágneseket, akkor talán más lesz a helyzet, ha próbát tesz a Volta-oszlop két pólusát összekötő drótban mozgó elektromossággal. Mikor megérkezett a fiatal diákokkal telt előadóterembe, az asztalra helyezte Volta-oszlopát, két végét platina dróttal kötötte össze, és egy mágnestűt helyezett el a közelében. A tű, amely különben mindig észak-déli irányba áll be, elfordult, és a drótra merőlegesen állt meg. Talán ez volt az egyetlen olyan nagy felfedezés, amely a diákok szeme láttára jött napvilágra, azonban a hallgatóságot nem nagyon érdekelte a dolog, de Oerstedet annál inkább. Előadás után a teremben maradt, és megkísérelte az általa éppen felfedezett szokatlan jelenség ellenőrzését. Először azt gondolta, hogy a mágnestű mozgását az elektromos áram által fűtött drótból kiinduló léghuzat is okozhatja. Hogy igazolja, hogy nem így van, papírlemezt helyezett a drót és a mágnestű közé, hogy megállítsa a légáramlást. A helyzet ugyanaz maradt. Azután 180°-kal elfordította a Volta-oszlopot, hogy a drótban az áram ellenkező irányban mozogjon. A mágnestű ekkor szintén elfordult 180°-kal – északi pólusa most abba az irányba mutatott, ahová azelőtt a déli pólus. Világossá vált előtte, hogy a mágnes és a mozgó elektromosság között valóban van kölcsönhatás. A feszültség alatt levő huzal párhuzamos mozgatásával kimutatta, hogy az iránytű nem egyszerűen vonzódik ahhoz, mint egy mágneshez, mert a tű kitérése mindvégig azonos maradt. A mágnestű elhelyezkedésének iránya attól függött, hogy az elektromos áram melyik irányban folyik a dróton keresztül illetve a huzal a tű alatt, vagy fölött van. Huzalhoz képest merőlegesen elhelyezve az iránytűket megfigyelte a ma ismert jobb kéz szabályt (Ha megfogjuk a vezetéket jobb kézzel, és a nagy ujjunk az áram irányát mutatja, akkor a többi ujjunk az mágneses erővonalak irányát adják). A felfedezésre vonatkozó valamennyi megfigyelését leírta, és közlés céljából beküldte az Annales de Chimie et de Physique francia folyóiratnak. A cikk 1820 végén jelent meg, a szerkesztőség következő megjegyzésével: “Az Annales olvasói meggyőződhettek már arról, hogy nem túl szívesen közlünk rendkívüli felfedezésekről szóló közleményeket, és ez az elv mindeddig helyesnek bizonyult. Oersted úr tanulmányát azonban és az általa elért eredményeket, bármilyen különlegesnek tűnnek is, sokkal több részlet támasztja alá annál, hogy tévedésre lehetne gyanakodni”. Az elektormágnesség, amint azt Oersted elnevezte, valósággá vált!

Amikor Oersted felfedezésének híre eljutott Párizsba, itt magára vonta Andre Marie Ampére (20 Jan. 1775 – 10 Jun. 1836) francia matematikus és fizikus figyelmét. Néhány héten belül kimutatta, hogy nemcsak az elektromos áram hat a mágnestűre, hanem két elektromos áram is hat egymásra. Ha két párhuzamos drótban ugyanabban az irányban folyik áram, akkor a két drót vonzza egymást, ha pedig a két áram iránya ellenkező, akkor taszítják egymást. Kimutatta továbbá, hogy ha egy rézdróttekercsen, amely függőleges tengely körül foroghat, áram folyik át, akkor az mindig északdéli irányba áll be, ugyanúgy, mint az iránytű. Azt is kimutatta, hogy két ilyen tekercs ugyanolyan módon hat egymásra, mint két rúd alakú mágnes. Így született meg az új tudományág, az elektrodinamika.
E kísérletek vezették őt arra a gondolatra, hogy a természetes mágnességet a mágneses testekben folyó elektromos áram okozza. Elképzelte, hogy a mágneses anyag minden molekulájában köráram folyik, amely parányi elektromágnest képez. Ha az anyag nincs mágnesezve, akkor az egyes molekuláris elektromágnesek rendszertelenül helyezkednek el minden irányban, és az eredőjük nulla lesz. Mágnesezett testekben a molekuláris mágnesek, legalábbis részben, ugyanabba az irányba állnak be, így jön létre a mágneses vonzás vagy taszítás. Ampere eme feltételezését a modern fizika teljes mértékben megerősítette. Az atomok és molekulák mágneses tulajdonságait az atommag körül keringő és saját tengelyük körül gyorsan forgó elektronok hozzák létre. Mivel Ampere volt az első, aki az elektromos áram fogalmát mint a vezetőben mozgó elektromosságot világosan meghatározta, az elektromos áram egységét róla nevezték el (Egy amper akkora áram, amely másodpercenként egy coulombot visz át egy vezető keresztmetszetén). Ampére nem csak matematikus, fizikus volt, hanem kémikus is: az elsők egyike volt, akik megkülönböztették az atomokat és a molekulákat. 1814-ben Avogadrotól függetlenül kidolgozta azt a törvényt, mely kimondja, hogy minden azonos nyomású és térfogatú gáz ugyanannyi részecskét tartalmaz . Ezenkívül Ampére kidolgozott több kísérletezési eljárást és feltalált több mérőműszert is, az ő nevéhez fűződik a galvanométer és az elektromos távíró.

Ampére-t elsősorban az elektromos áram mágneses hatása érdekelte. George Simon Ohm (1789. már. 16. – 1854. júl. 6.) német matematikus és fizikus, aki abban az időben tanító volt Kölnben, azt kívánta tudni, mi az összefüggés az elektromos áram, az áramot vezető drót anyaga, valamint az áramot mozgásban tartó elektromos potenciál között. Több Volta-oszlopot alkalmazott, amelyeket sorba kapcsolva, különböző feszültséget állított elő. Ezen kívül egy Ampere által szerkesztett galvanométert használt, amelyben az elektromos áram erősségét a mágnestűnek az áram által okozott kitérése méri. Különböző fémekből készült különböző hosszúságú és keresztmetszetű drótok vizsgálatával megállapította, hogy az áram erőssége egyenesen arányos a drót keresztmetszetével, fordítva arányos a hosszával, és függ a drót anyagától is. Megállapította azt is, hogy egy adott drótnál az áramerősség arányos a két vég közötti elektromos potenciálkülönbséggel (feszültséggel), amelyet az áramot a dróton mozgató, sorba kapcsolt Volta-oszlopok száma határoz meg. Az eset hasonló ahhoz, amikor a folyadék szabad áthatolását gátló üvegrosttal töltött csövön vizet szivattyúzunk át. A vízáram erőssége itt is a szivattyú által létrehozott nyomással és a cső keresztmetszetével nő, a cső hosszával pedig csökken, és a csőbe helyezett víz szabad áthaladását gátló anyag természetétől és mennyiségétől is függ. Ohm így bevezette a különböző drótok elektromos ellenállásának fogalmát. Felfedezéseit 1827-ben tette közzé “A galvanikus áramkör matematikai szempontból” címen. Ebben lefektette az elektromos áramkörök jövőbeni tanulmányozásának az alapjait.
Az elektromos ellenállás egységét Ohm tiszteletére 1 ohm-nak nevezzük, ez az az ellenállás, amely 1 volt potenciálkülönbségnél 1 amper áramot hoz létre. Néha elektromos ellenállás helyett elektromos vezetőképességről beszélünk, ami annak a reciproka. Az elektromos vezetőképesség egységét egy mho-nak nevezzük, ami az ohm szó fordítottja, vagy siemensnek.

Michael Faraday (1791. szept. 22 – 1867. aug. 25) az elektromos és mágneses jelenségekre vonatkozó klasszikus kutatásokat betetőzte, és új korszakot tárt fel, a „modern fizika” korszakát. London közelében született, egy kovácsmester fiaként. Szegénységük miatt 13 éves korában kifutó lett Mr. Riebau könyvesboltjában, később Riebau könyvkötőinasnak szerződtette hét évre. Faraday nemcsak bekötötte a könyveket, amelyek a boltba kerültek, hanem sokat közülük elejétől végéig el is olvasott, ami szenvedélyes érdeklődést keltett benne a természettudományok iránt. Különös örömet okoztak neki a  Marcet Conversations in Chemistry című könyv és az Encyclopaedia Britannica villamossággal foglalkozó cikkei. Utolsó tanoncévében, amikor éppen húsz éves volt (és amikor Galvani és Volta felfedezései még újdonságok voltak), a következőket írta régi barátjának, Benjamin Abbottnak (1811):

“Nemrégiben néhány egyszerű galvanikus kísérletet végeztem csupán azért, hogy magam előtt is szemléltessem a tudomány alapelveit. Knightékhez mentem, hogy egy kis pénzhez jussak, és emlékeztem rá, hogy formálható horganyuk(Zn-cink) van. Vásároltam ebből egy keveset. Vajon láttál-e már horganyt? Az első adagot a létező legvékonyabb darabokban kaptam, laposra hengerelve. Ez elég vékony volt elektromos pálcának, amint mondták, vagy De Luc elektromos oszlopnak, amint én azelőtt azt neveztem. Ebből korongokat alakítottam, ezekből és vörösrézből egy kis telepet készítettem. Az első telep hét pár lemezt tartalmazott!!! Ezek mérete egyenként félpenny-es érme nagyságú volt!!!  Én, Uram, én saját magam hét darab egyenként félpenny nagyságú korongot vágtam ki. Hét darab félpennyessel fedtem be ezeket, és közéjük hét vagy helyesebben hat nátrium-kloridoldattal átitatott papírdarabot helyeztem el. De ne nevess, kedves Abbott, inkább figyeld, hogy mi volt a hatása ennek az egyszerű készüléknek. Elegendő volt magnézium-szulfát szétbontásához — ami a legnagyobb mértékben meglepett, mert nem volt, nem lehetett fogalmam arról, hogy ez az anyag erre használható. Egy gondolat villant fel agyamban, elmondom. Összekötöttem az oszlop tetejét, az alját és az oldatot rézdróttal. El tudod-e képzelni, hogy a réz bontotta szét a szulfátot — vagyis annak az oldatba merített részét? Biztosra veszem, hogy ez galvanikus folyamat volt, mert mindkét drótot rövid időn belül gázbuborékok fedték, és apró részecskékhez hasonló igen kicsi buborékok folytonos áramlása járta át az oldatot a negatív drótból kiindulva. Hogy a szulfát bomlott szét, azt az bizonyította, hogy a világos oldat két óra alatt zavarossá vált: magnézium volt benne szuszpendálva”.

Ez volt az elektromos áram által bekövetkező kémiai bomlás, az elektrolízis. Faraday folytatta e jelenség vizsgálatát, és az utána következő évek folyamán két róla elnevezett alaptörvényt fedezett fel. Az első Faraday-törvény kimondja, hogy: egy meghatározott oldatnál az elektródákon lecsapódó/felszabaduló anyag mennyisége arányos az oldaton áthaladt teljes elektromosság mennyiségével (vagyis az idővel szorzott áramerősséggel). Ez annyit jelent, hogy az elektromosságot az oldatban szállító töltéssel bíró molekuláknak (amelyeket később ionoknak neveztek el) szigorúan meghatározott elektromos töltésük van. A második Faraday-törvény szerint különböző anyagok egy vegyértékű ionjai egyenlő mennyiségű elektromosságot szállítanak, a két, három stb. értékű ionok pedig arányosan nagyobb töltéseket. Ez az elektromos töltés univerzális egységének a létezését bizonyítja, amiről Faraday idején csak azt tudták, hogy a különböző atomokhoz van kötve. Később azonban a téren keresztül repülő szabad elektronok alakjában is észlelték.
Faraday-nek, az elektrolízis felfedezése után, állás után kellett néznie, mert tudta, hogy állása az üzletben már csak néhány hónapig tart. Leghőbb vágya volt, hogy Sir Humphry Davynél, a neves kémikusnál dolgozhasson, akinek előadásait inaskorában is hallgatta. A Davy előadásairól készített jegyzeteit kalligrafikusan lemásolta, mesterien elkészített rajzokkal egészítette ki, elegáns kötetet készített belőlük, és elküldte neki, azzal a kéréssel, hogy munkát kapjon laboratóriumában. Sir Humphry Davy a Royal Institution of Great Britain egyik igazgatója volt, és az intézet egyik felügyelőjétől kért tanácsot a fiatal könyvkötő alkalmaztatása ügyében. Az a következőket mondta: „Mossa az edényeket! Ha értékes fiú, akkor elfogadja ezt a munkát; ha nem fogadja el, akkor semmire se való!” Faraday elfogadta, és az intézetben maradt élete további 45 éve folyamán, először mint Davy segédje, azután mint munkatársa és végül, Davy halála után, mint utódja. Számos közleménye jelent meg tudományos folyóiratokban, de a tanulmányaival kapcsolatos legfigyelemreméltóbb dokumentum a Naplója, amelyet 1820-tól 1862-ig folyamatosan vezetett. Ezt a Royal Institution nemrégiben (1932) hét vaskos kötetben adta ki, összesen 3230 oldalon, több ezer lapszéli rajzzal. Pár idézet a naplóból az elektromágneses indukció megfigyeléseiről:

“1831. aug. 29.
1.  Kísérletek az elektromosságnak mágnességből való létrehozására vonatkozóan stb. stb.
2.  Lágyvas-gyűrűt készítettem gömbvasból, mely 7/8 col vastag, a külső átmérője pedig 6 col. Egyik felére sok rézdrótmenetet csavartam a meneteket madzag és kalikó választja el — három drót volt, mindegyik 24 láb hosszú, ezeket össze lehetett kötni egybe, vagy mint külön darabokat használni. Mindegyik szigetelve volt a másiktól. A gyűrűnek ezt az oldalát nevezzük A-nak. A másik oldalon, de térközzel elválasztva, két darab volt felcsavarva, együttes hosszúságuk 60 láb volt, irányuk ugyanaz, mint az előző tekercseké, ezt az oldalt nevezzük B-nek.
3  Megtöltöttem egy, 10 négycolos négyzet alakú lemezből álló telepet. A B-oldalon levő tekercsekből egy tekercset csináltam, végeit pedig összekötöttem rézdróttal, amely közvetlenül egy mágnestű fölött haladt el (3 láb távolságra a vasgyűrűtől).Azután összekötöttem az A oldali egyik tekercs végeit a teleppel; azonnali hatás mutatkozott a tűn. Rezgett, és végül az eredeti helyzetben került nyugalmi állapotba. Mikor megszakítottam az A-oldal kapcsolását a teleppel, ismét jelentkezett a tű ingadozása.“

Vagyis az egyik tekercsen áthaladó elektromos áram egy, a közelben elhelyezett másik tekercsben áramot indukál, ugyanúgy, mint ahogy egy test elektromos töltése elektromos polarizációt indukál egy másik közeli testben. Míg azonban az elektromos polarizáció esetében a hatás statikus, és mindaddig tart, amíg a két test egymás közelében marad, addig az elektromos áram indukciója dinamikus folyamat. A második tekercsben csak azokban az időközökben folyik áram, amíg az első tekercs árama 0-tól normális értékig növekszik, vagy amikor ettől az értéktől ismét 0-ra csökken.
Nem egészen 3 hónappal e korszakalkotó felfedezés után további fontos eredményeket ért el Faraday az elektromosság és mágnesség összefüggésével kapcsolatos tanulmányaiban. Itt közöljük Naplóikból, hogyan történt ez:

Az a gondolat, hogy a mágnességnek elektromos áramot kell létrehoznia, mert az elektromos áram is hoz létre mágnességet Faraday idejében már a levegőben volt. Sok fizikus igyekezett ezt a hatást megfigyelni. De félrevezette őket az elektrosztatikus indukcióval való analógia. Csak statikusan elrendezett mágnesekkel és drótokkal, tekercsekkel próbálkoztak, de a mágnes köré tekert vezeték nem gerjesztett szikrát végek összeérintésekor. Faraday zsenijének és gazdag gyakorlati tapasztalaténak köszönhető, hogy kiderült: az elektromos áram létrehozása dinamikus folyamat, amelyhez vagy a másik áram erősségének a változása, vagy a mágnes helyzetének a változása szükséges. Ugyanez a gondolat felmerült egy másik fizikusban, az amerikai Joseph Henry-ben is, aki azonban addig halogatta a közzétételt, amíg a felfedezés prioritása az Atlanti Óceán másik partján levő férfié lett. Későbbiekben azonban kiderült, hogy mindkettejüket megelőzte egy fizikusi vénával megáldott olasz pap, Francesco Zantedeschi (1797. aug. 20 – 1873. már. 29) ki publikussá tette munkáit 1929-ben.

Michael Faraday kutató szelleme nem állt meg, amikor kibogozta az elektromosság és a mágnesség rejtett összefüggését. Azt is tudni kívánta, hogy az optikai jelenségeket befolyásolják-e a mágnesek. Ez irányú fáradozásainak eredménye az a fölfedezés, hogy mágneses térbe helyezett átlátszó anyagokban a fény polarizációs síkja elfordul (Faraday-effektus – 1845. szept.13). A mágneses erővonalak mentén terjedő fény – igen rövid elektromágneses hullámokból álló –, és az egyes atomokon belüli elektromos áramok közötti belső kapcsolatot mutatja. Ezeket a parányi áramköröket, amelyek létezését Ampere tételezte fel elsőnek, ma úgy tekintjük, mint az atomi elektronok keringését a központi mag körül. Faraday meg volt győződve arról, hogy a fizikai világban megfigyelt valamennyi jelenség valamilyen módon összefügg egymással. Ezért összefüggést igyekezett találni az elektromágneses erők és a newtoni gravitációs erők között. Bár 1849-ben folytatott kutatásai nem hoztak pozitív eredményt, Faraday naplója szerint a hite megmaradt.
Bármily jelentősek voltak is Faraday kísérletei, felfedezései, elméleti elgondolásai sem maradnak el mögöttük. Igen kevéssé volt iskolázott, és a matematikából gyakorlatilag semmit sem tudott, ezért nem lehetett — mint ma mondanánk — elméleti fizikus. A helyzet azonban az, hogy fizikai jelenségek elméleti képének megalkotásánál a felsőbb matematika ismerete gyakran szükségtelen, néha még káros is. Faraday előtt az elektromos és mágneses, valamint a gravitációs erőkről azt képzelték, hogy azok a testeket elválasztó ürés téren át hatnak. Faraday egyszerű gondolkozásmódja számára azonban úgy tűnt, hogy ennek a „távolbahatásnak” nincsen fizikai értelme. Ha azt látta, hogy egy teher egyik helyről a másikra mozdul, látni akarta a kötelet is, amely azt húzza, vagy a botot, amely azt taszítja. Beszélt valamiről, ami mint egy csomó gumicső, a két egymással szemben álló elektromos töltés vagy mágneses pólus között feszül , és azokat összehúzza. Azonos előjelű töltések vagypólusok esetében ezek a gumicsőszerű valamik másképpen haladnak, és széttaszítják egymást. A Faraday-csöveket vagy erővonalakat mágnes esetében ki lehet mutatni, ha finom vasreszeléket szórunk az üveglapra, amelyen a mágnes van. A reszelék mágneses lesz, és a csövek (erővonalak) mentén ható mágneses erők irányában helyezkedik el. Elektromos tér esetében elektromos polarizáció alkalmazásával kaphatunk hasonló eredményeket, ezt a kísérletet azonban nehezebb elvégezni. Faraday megmutatta: az elektromos és a mágneses csövek (erővonalak) okozzák a különböző elektromágneses jelenségeket. Ha dróton áram folyik át, akkor a drótot köralakban erővonalak veszik körül, amelyek a mágnestűre hatást gyakorolnak, és azt meghatározott irányba mozdítják el. Ha egy vezető drótot egy mágneshez képest mozgatunk (vagy fordítva), akkor az mágneses csövek útját keresztezi, és ennek eredményeképpen áram indukálódik benne.
Faraday ezen elképzelései bizonyos tekintetben elég naivak voltak, és nagyrészt kvalitatívak, mégis új korszakot nyitottak meg a fizika fejlődésében. A testek között nagy távolságra ható misztikus erők helyébe a testek között és körül a térben folytonosan elosztott „valami” lépett, „valami”, aminek minden egyes pontban meghatározott értéket lehet tulajdonítani. Ezzel bevezette a fizikába az elektromos, mágneses vagy gravitációs kölcsönhatásra egyaránt az „erőtér”, vagy egyszerűen a „tér” fogalmát. Az üres tér által elválasztott anyagi testek közötti erőt úgy lehetett felfogni, mint a testeket körülvevő terek közötti „közelhatások” eredményét.

Faraday elképzeléseinek matematikai megfogalmazását a híres skót James Clerk Maxwell (1831. jun 13 – 1879. nov. 5) adta meg. Maxwell Edinburghban született, néhány hónappal azután, hogy Faraday közzétette felfedezését az elektromágneses indukcióról. Faraday-vel ellentétben, igen jó matematikus volt. Tíz éves korában az Edinburgh Academy tanulója lett, és kénytelen volt idejének egy részét a görög rendhagyó igéknek és a „humanista tudományok” más ágainak a tanulmányozására fordítani, ő azonban inkább matematikával akart foglalkozni, és első eredménye ezen a téren, saját szavai szerint, azt volt, hogy „egy tetraédert, egy dodekaédert és még két más »édert« készítettem, amelynek nem tudtam a nevét”. Tizennégy éves korában elnyerte az Akadémia matematikai érmét egy tanulmányáért, amelyben megmutatta, hogyan lehet tűvel és fonállal tökéletes ellipszist szerkeszteni. Néhány évvel később, Maxwell két tanulmányt nyújtott be a Royal Societynek, az egyik címe „Gördülő görbék elméletéről”, a másiké „Rugalmas szilárd testek egyensúlyáról”. Mindkét tanulmányát másvalaki olvasta fel a Societyben, mert „nem volt ildomos, hogy egy blúzos kisfiú lépjen az előadói emelvényre”. Maxwell 1850-ben, 19 éves korában beiratkozott a cambridge-i égyetemre. Négy évvel később megkapta a diplomáját, 1856-ban pedig kinevezték az aberdeeni Marischal College természetfilozófiai tanszéke vezetőjének. Itt maradt 1874-ig, akkor visszahívták Cambridge-be, az akkor újonnan alapított Cavendish Laboratórium igazgatójának.

Maxwell kezdetben csak a tiszta matematika iránt érdeklődött, de hamarosan élénken érdekelni kezdte a matematikai módszerek alkalmazása különböző fizikai problémákra. Igen jelentősen hozzájárult a hő kinetikus elméletének kifejlesztéséhez, de legjelentékenyebb munkája kétségkívül az volt, hogy a matematika nyelvén fogalmazta meg Faraday elgondolásait az elektromágneses tér természetéről és törvényeiről. Általánosította azokat az empirikus tényeket, hogy a változó mágneses tér elektromotoros erőt és elektromos áramot indukál a vezetőkben, valamint hogy a változó elektromos tér és az elektromos áram mágneses teret hoz létre. Az általánosítás eredményképpen megalkotta a később róla elnevezett híres egyenleteket. Ezek a mágneses tér időbeli változását az elektromos tér térbeli eloszlásával kapcsolják össze és fordítva.
Ha a mágnesezett testek, töltött vezetők és az elektromos áramok eloszlását ismerjük, akkor Maxwell-egyenletekkel minden részletében ki tudjuk számítani az elektromágneses teret és annak időbeli változását. Maxwell kimutatta, hogy bár az elektromos és mágneses terek rendszerint elektromosan töltött és mágnesezett testekhez vannak kötve, szabad elektromágneses hullámokként is létezhetnek és terjedhetnek a térben. Hogy ezt világosan lássuk, vegyünk két gömb alakú vezetőt, amelyek közül az egyik pozitív, a másik negatív elektromossággal van töltve. A két gömböt körülvevő térben sztatikus elektromos tér van, amely a töltések elektromos energiáját valami olyan módon tárolja, mint ahogy egy erősen meghajlított rugó tárolja a mechanikai energiát. Ha a két gömböt dróttal összekötjük, akkor áram folyik egyikből a másikba. így a gömbök töltése, és ezzel az őket körülvevő elektromos tér is, gyorsan csökken, végül eltűnik. Az áram azonban mágneses teret hoz létre a drót körül. Abban a pillanatban, amikor az elektromos tér 0, a rendszer egész energiája ebben a mágneses térben van felhalmozva. A folyamat azonban nem áll meg, az elektromos áram, bár csökkenő intenzitással, de tovább folyik a drótban, és újra feltölti a két gömböt ellenkező előjelű elektromossággal. A mágneses tér energiája úijra az elektromos tér energiájává alakul. Végül megszűnik az áram, a gömbök újra fel vannak töltve ugyanannyira, mint kezdetben, de ellenkező előjellel. A folyamat aztán újra megindul, ellenkező irányban. Az elektromos rezgések folytatódnak oda-vissza, amíg a töltést hordó drót felmelegedése által okozott fokozatos energiacsökkenés meg nem állítja a rezgéseket. Az egész hasonló az ingához, ahol a mozgás kinetikus energiája, amely a lengések közepén éri el a maximumát, a két szélső helyzetbe érve, potenciális energiává alakul.
Maxwell egyenleteiből le tudta vezetni, hogy a leírt rezgő elektromágneses tér az oszcillátort körülvevő téren át energiát magával vivő hullámok alakjában szétterjed. Mivel az elektromos erővonalak a dróton átmenő síkban fekszenek, a mágneses erővonalak viszont merőlegesek rá, a hullám elektromos és mágneses vektorai merőlegesek egymásra és a terjedési irányra is. 1888-ban, röviddel azután, hogy Maxwell tanulmánya megjósolta, Heinrich Hertz német fizikus bebizonyította e hullámok létezését. Ez vezetett azután a rádiótechnika kifejlődéséhez, ami manapság az ipari civilizáció nagy részét alkotja.

Maxwell elméletének egyik igen fontos eredményét most részletesebben tárgyaljuk: az elektromágneses hullámok terjedési sebességének a kiszámítását. Ha az elektromos és mágneses terek kölcsönhatásával foglalkozunk, felmerül a kérdés, hogy milyen eszközöket használjunk a különböző elektromágneses mennyiségek mérésére. Előzőleg láttuk, hogy az elektromos töltés egységét úgy definiálták, mint amely a tőle 1 cm távolságra levő, vele egyenlő töltést 1 din erővel taszítja. Ennek megfelelően az elektromos térerősség egységét úgy kell definiálnunk, mint azt a teret, amely 1 din erővel hat egy benne levő egységnyi elektromos töltésre. Hasonlóképpen definiálták a mágneses pólus egységét és a mágneses térerősség egységét is. Mi történik azonban, ha olyan jelenségekkel foglalkozunk amelyekben elektromosság is, mágnesség is előfordul? Ilyen például az elektromos áram által létrehozott mágneses tér.

Tegyük fel, hogy áram hatását vizsgáljuk a dróttól 1 cm távolságban levő mágneses pólusra. Az elektromos áram egységét úgy definiálhatjuk, mint azt az áramot, amely egy másodperc alatt a fentebb definiált töltésegységet szállítja. Ebben az esetben azonban a hatóerő, amely az áram által létrehozott mágneses térben az 1 cm távolságban levő egységnyi pólusra hat, nem szükségszerűen 1 din. Valóban nem is annyi. Másrészt viszont az egységnyi áramot definiálhatjuk úgy is, mint olyan mágneses teret létrehozó áramot, amely 1 din erővel hat az 1 cm távolságban levő egységnyi pólusra. Ekkor azonban a dróton egységnyi áram esetén áthaladó töltés nem egyenlő a fent definiált elektrosztatikus töltésegységgel. A fizikusok nem választották az egyik lehetséges definíciót, elvetve a másikat, hanem mindkettőt használják, úgy hogy egy konstans tényezőt vezetnek be az egységek egyik rendszerből a másikba való átszámítására. — A helyzet hasonlít a hő mérésénél fennállóhoz, ahol a kalóriát is, az erget is lehet használni (4,2-107 átszámítási faktorral). Az elektromos vonzás és taszítás Coulomb-féle törvényével definiált töltésegységét (a fenti két definíció közül az elsőt) elektrosztatikus egységnek (esu) vagy frankiinnak (Fr), az Oersted-féle törvény (az elektromos áram mágneses pólusra gyakorolt hatása) segítségével definiált egységet pedig elektromágneses egységnek (emu) nevezzük. Egy elektromágneses egység egyenlő 3-1010 elektrosztatikus egységgel. Vagyis a másodpercenként 1 elektrosztatikus egységet vivő áram csupánl/3-1010 din erővel hat az 1 cm távolságra levő egységnyi pólusra. Két test viszont, amelynek mindegyike 1 elektromágneses egységnyi töltést tartalmaz, és amelyek 1 cm távolságra vannak, egymást 3-1010 din erővel taszítják.

Amikor Maxwell az egyenleteit megalkotta, az elektromos térnél elektrosztatikus egységeket kellett használnia, a mágneses térnél pedig elektromágneses egységeket. Ezért az egyik oldalon elektromos teret, a másik oldalon pedig mágneses teret tartalmazó képletekbe becsúszott a 3-1010 tényező. Amikor a tovaterjedő elektromágneses hullámok leírására alkalmazta az egyenleteket, kiderült, hogy a terjedési sebesség számértéke éppen a két egység hányadosa, vagyis 3-1010 cm/sec. És íme, ez a szám pontosan megegyezik a fény vákuumbeli sebességével, amit már Maxwell születése előtt különböző módszerekkel megmértek. Áhá— gondolta Maxwell valószínűleg —, ez azt jelenti, hogy a fényhullámok a valóságban igen rövid elektromágneses hullámok. Ez a gondolat vezetett a fizika egy igen fontos ágának, a fény elektromágneses elméletének a kifejlődéséhez. A fény és anyag egymásrahatását, beleértve a fény kibocsátását, terjedésé és elnyelését, ma úgy tekintjük, mint a térben terjedő rövid elektromágneses hullámok és a parányi elektromosan töltött részecskék, a pozitív töltésű atommag körül keringő elektronok között ható erők eredményét. A Maxwell-egyenletek felhasználásával az optika összes jelenségeit és törvényeit a legapróbb részletekig meg tudjuk magyarázni.

Látszólag össze nem függő fizikai mennyiségek közti számbeli egyezések gyakran vezettek alapvető új felfedezésekhez és széles körű általánosításokhoz a fizikában. Ilyen volt az elektrosztatikus és elektromágneses egységek arányának egyezése. Későbbiekben, a forró testek által kibocsátott fényés hőhullámokra vonatkozó konstans megegyezése azzal a konstanssal, ami az ibolyántúli sugarak által megvilágított testből kibocsátott elektronokkal kapcsolatos, igen jelentősnek bizonyult a kvantumelmélet kifejlődésében.

Follow

Comments (0)

By Gondozó, 2012. April 1 16:16

Az elektromosság és a mágnesség jelenségét már a régi görögök is ismerték és valószínűleg az antik világ többi népei is. E jelenségek rendszeres tanulmányozásához azonban csak a művészetek és tudományok reneszánszának kezdetén fogtak hozzá.

Angol természettudós, Sir William Gilbert (1544. máj. 24 – 1603. nov. 30), aki I. Erzsébet angol királynő udvari orvosa és Galileo Galilei (1564. feb. 15 – 1642. jan. 7) kortársa volt, gondos kísérleteket végzett a mágnesek kölcsönhatására vonatkozóan. Eredményeit De Magnete c. könyvében tette közzé. A könyv a mágnesek összes lényeges kvalitatív tulajdonságának leírását tartalmazza, ezért egyes körökben őt tekintik a elektromosság, mágnesség atyjának. Gilbert lelkes híve volt a kopernikuszi világrendszernek és azt remélte, hogy a bolygókat Nap körüli pályájukon tartó erőket a mágneses vonzással lehet megmagyarázni. E problémák közelebbi tanulmányozása céljából magnetitből (mágneses vasércből, Fe₃O₄) golyókat készített és az ezeket körülvevő mágneses teret a gömbök körül különböző helyeken és különböző távolságra elhelyezett parányi iránytűkkel tanulmányozta. Azt találta, hogy van a gömbnek egy olyan pontja, amely minden más pontnál erősebb vonzóerőt fejt ki az iránytű egyik végére. Az átellenes pont pedig maximális vonzóerőt gyakorol az iránytű másik végére. A gömb felszínének különböző pontjain a tű mindig meghatározott helyzetbe áll be, éspedig a maximális vonzások pontjait, azaz a gömb mágneses pólusait összekötő főkör irányába. Ez feltűnően hasonlít ahhoz, ahogyan az iránytűk a Föld felszínének különböző pontjain beállnak. Gilbert ebből arra következtetett, hogy a mi földgolyónkat óriás mágnesnek lehet tekinteni, amelynek mágneses pólusai a földrajzi északi és déli sarkok közelében vannak. Ez a felfogás évszázadokon át fennmaradt és miután a nagy német matematikus, Karl Friedrich Gauss,  számításaival is alátámasztotta, a földmágnesség elméletének egyik alapeszméje lett (mágneses pólusok vándorlása – videó, 44MB).
Ottó von Guerickét (1602. nov. 30 – 1686. maj. 21) leginkább a magdeburgi félgömbökkel (két félgömbbel, amelyekből összeillesztésük után a levegőt kiszivattyúzták, és akkor több ló se tudta széthúzni) folytatott kísérleteiről ismerik. Guericke akkor, amikor Newton már megalkotta, de még titokban tartotta elképzelését az általános gravitációról, a bolygók és a Nap közötti vonzást elektromos kölcsönhatással igyekezett megmagyarázni. Annak ellenére, hogy ez neki, ugyanúgy mint Gilbertnek nem sikerült, sok fontos felfedezést tett az elektromos töltés tulajdonságaira vonatkozóan. Azt találta, hogy a megdörzsölt borostyánkő könnyű tárgyakat, például papírdarabokat magához ragad, majd elejti őket. Két könnyű test viszont, amelyeket megdörzsölt borostyánkő érintett, mindig taszítja egymást. Azt találta továbbá, hogy az elektromos töltést át lehet vinni egyik testről a másikra, nemcsak közvetlen érintkezés útján, hanem őket összekötő fémdróttal vagy nedves kötéllel is. Az elektromos jelenségeket később a XVIII. század elején Charles François du Fay (1698. szept. 14 – 1739 jul. 16) tanulmányozta. Megállapította, hogy kétféle elektromosság van. Az egyik borostyánkő, pecsétviasz, keménygumi és más gyantaszerű anyagok dörzsölése útján keletkezik, a másik pedig üvegszerű anyagok, például üveg vagy csillám dörzsölése útján. E kétféle elektromos folyadékot, fluidumot „gyanta-elektromosságnak” és ,,üveg-elektromosságnak” nevezték. Megállapították az is, hogy az azonos elektromos töltések taszítják, a különbözők pedig vonzzák egymást. Az elektromosan semleges testekről feltételezték, hogy mindkét elektromos fluidumot egyenlő mennyiségben tartalmazzák, míg az elektromosan töltött testekben vagy a gyanta- vagy az üveg-elektromosság van túlsúlyban. Az Ottó von Guericke által megfigyelt jelenségeket kezdetben úgy fogták fel, hogy azok a kétfajta elektromos fluidum közötti kölcsönhatásnak tulajdoníthatók. Tegyük fel, hogy keménygumigömböt dörzsölünk, ami ennek következtében gyanta-elektromossággal töltődik fel. Ha egy kicsiny, töltés nélküli testet viszünk a közelébe, amelyben a kétféle elektromosság egyenlő mennyiségben van jelen, akkor a gyanta-elektromosság a test távoli végéhez taszítódik, az üveg-elektromosság pedig a közeli végébe kerül. Minthogy az elektromos kölcsönhatások a távolsággal csökkennek, ezért az üveg-elektromos töltésre ható vonzó erő nagyobb lesz, mint a gyanta-elektromos töltésre ható taszító erő. Ennek eredményeképpen a két test vonzani fogja egymást. Ha a keménygumigömb helyett üveggömböt veszünk, az eredmény ugyanaz, csak az üveg- és a gyanta-elektromosság felcserélődik, így tehát a semleges testeket a töltött testek mindig vonzzák. A jelenséget, vagyis az eredetileg nem-elektromos test töltései szétválasztásának a jelenségét, elektromos ,,polarizáció”-nak vagy „indukció”-nak nevezzük. Ha most két kis testet érintünk egy elektromosan töltött nagy testhez, akkor azonos elektromossággal töltődnek fel, így ha elvesszük őket a nagy töltött testtől, akkor taszítják egymást.

Az elektromos jelenségekkel folytatott első kísérletek idején két igen fontos elektromos műszert szerkesztettek, a lemezes elektroszkópot és a leydeni palackot. Az elektroszkópot, vagyis az elektromos töltés jelenlétét kimutató műszert 1705-ben szerkesztette Haukesbee. Ez két szalmaszálból áll, amelyek egy fémrúd alsó végén egymás mellett vannak felfüggesztve. Ha a rúdba akár gyanta-, akár üveg-elektromosságot vitt, a szalmaszálak azonos elektromossággal töltődtek fel és így egymástól elváltak. Ma is használjuk ezt a műszert, csak a szalmaszálak helyére sokkal könnyebb aranylemezkék kerültek. A leydeni palackot 1745-ben alkotta meg a leydeni (Hollandia) egyetemen néhány kutató abból a célból, hogy nagy mennyiségű elektromosságot gyűjtsenek egybe. Közönséges henger alakú üvegpalackból készült, amelynek külső és belső oldalát vékony ezüstfólia borította. Ha a külső fólia földelve van (vagyis össze van kötve a földdel), a belsőhöz pedig elektromosan töltött testet érintünk, vagy fordítva, akkor az elektromosság (akár gyanta-, akár üveg-elektromosság) igyekszik a földbe kerülni, de az üvegréteg megállítja az áramlást. Ily módon nagy mennyiségű elektromosság gyűlik össze a palackban, és “hatásos” szikrákat lehet létrehozni, ha a belső és külső fóliát dróttal kötjük össze. A régimódi leydeni palackból ma különféle kondenzátortípusok fejlődtek ki, amelyek sok vékony levegő-, üveg- vagy csillámréteggel elválasztott fémlapból állnak. Az ilyen kondenzátorokat, amelyek igen nagy mennyiségű elektromosságot képesek tárolni, a fizika és az elektrotechnika minden területén alkalmazzák.
Az első részecskegyorsítót, amelyet 1930-ban John Gockroft és E. T. S. Walton a cambridge-i egyetemen szerkesztett, 1 millió voltra feltöltött kondenzátorokkal működtették. Ha a kondenzátorok hidrogént tartalmazó üvegcsövön át kisültek, akkor nagy energiájú ,,atomlövedék”-et hoztak létre, amelyek a cső végére helyezett lítiumdarab atomjait eltalálva, szétrombolták azt.
Ugyancsak a XVIII. században folytatta kísérleteit Benjamin Franklin (1706. jan. 17. – 1790. ápr. 17), a nagy amerikai államférfi és író, aki meglett korában, 40 évesen kezdett érdeklődni a fizika iránt. Nem elégedett meg a parányi szikrákkal, amelyeket úgy kapott, hogy sárcipőt dörzsölt prémes kabátjához. Sokkal nagyobb szikrákkal akart játszani, olyanokkal, amilyeneket Zeusz szór le a felhőkből égi háború idején. Ezért sárkányokat küldött fel a viharfelhőkbe, hogy azokból nyerjen elektromosságot. A sárkányt tartó nedves kötél tökéletes elektromos vezető volt, ennek segítésével fel tudta tölteni leydeni palackját, amiből aztán szikrákat kapott. Tanulmányait könyvben gyűjtötte össze Kísérletek és megfigyelések az elektromosság köréből, amelyeket Philadelphiában, Amerikában végeztek (Experiments and Observations on Electricity Made at Philadelphia in America) címmel, 1753-ban. Ennek alapján a Londoni Royal Society és a párizsi Academie Royale de la Science tagjává választották. Kísérleteivel versenyre tudott kelni Zeusszal, de nem volt ilyen eredményes az elektromos jelenségek elméleti magyarázatában, amikor bevezette az elektromos egy-fluidum hipotézist. Feltételezte, hogy az ,,üveg-elektromosság” az egyetlen elektromos fluidum és az elektromos állapot két különböző fajtája e súlytalan fluidum fölös mennyiségének vagy hiányának tulajdonítható. A fölös mennyiségű üveg elektromosságot tartalmazó testet (például a megdörzsölt üvegbotot) pozitív töltésűnek nevezte el, amelyikből hiányzott (például a megdörzsölt gumirudat), azt negatív töltésűnek. Ha két olyan test kerül össze, melyek egyike fölös, másika pedig hiányos mennyiségű elektromos fluidumot (üveg-elektromosságot) tartalmaz, akkor az elektromos áram az első testből, ahol fölös mennyiségben van, átáramlik a másikba, ahol hiányzik. Benjamin Franklin eme elképzeléséből alakult ki a modern terminológia, amely szerint az elektromos áram a pozitív elektródtól (az anódtól) áramlik a negatívhoz (a katódhoz).  Manapság tudjuk, hogy Du Fay két elektromos fluidumot feltételező felfogása közelebb áll a valósághoz, mint Frankliné, bár a helyzet sokkal bonyolultabb mindkettőjük elképzelésénél. Vannak pozitív és negatív töltésű részecskék és minden normálisan pozitív vagy negatív töltésű részecskéhez tartozik egy „anti-részecske”, amely éppen ellenkező töltésű. A fémdrótokban folyó elektromos áram esetében Franklin elképzelése állt közelebb az igazsághoz. Itt az elektromosság áramlása kizárólag az elektronok mozgásának tulajdonítható. Az eltérés csak az, hogy az elektronok gyanta-, és nem üveg-elektromosságot tartalmaznak. Mostanában felmerült az a javaslat, hogy a pozitív és a negatív elektromosság elnevezését cseréljék fel, hogy az áram konvencionális iránya a plusz pólustól a mínusz felé egybeessék az elektronok mozgásának az irányával. Ebben az esetben azonban azoknál a részecskegyorsítóknál volna baj az elnevezésekkel, amelyek nagyenergiájú protonokat lövellnek atomi célpontok felé: az elektromos áram így nem a részecskegyorsítók torkolatából indulna ki, hanem a célpontból. Folyadékok esetében, ahol az elektromosságot pozitív és negatív töltésű ionok szállítják ellenkező irányban, a terminológiának a változtatása semmit sem jelentene.

A XVIII. század második felében sok országban foglalkoztak az elektromos és mágneses erők tanulmányozásával. Az egyik fontos felfedezés ezen a téren Charles Auguste de Coulomb (1736. jún. 14. – 1806. aug. 23.) francia fizikus nevéhez fűződik, aki megszerkesztette az úgynevezett „torziós mérleg”-et az igen csekély erők mérésére. Fő része hosszú vékony szálra függesztett rúd, melynek két végén két egyenlő nehéz gömb van. Ha nem hat erő a gömbökre, akkor a rúd beáll valamilyen egyensúlyi helyzetbe. Ha az egyik gömbön elektromos töltés van és közelébe egy másik töltött gömböt helyezünk, akkor az elmozgatható gömbre ható elektromos erő a rudat a felfüggesztési pont körül addig forgatja, amíg a szál forgatónyomatéka ki nem egyensúlyozza a hatóerőt. Mivel a szál nagyon vékony, a gömbre ható kis erő is jelentékenyen elfordítja a rudat eredeti helyzetéből, mégpedig úgy, hogy az elfordulási szög arányos az erővel. Coulomb a mozgó és mozdulatlan gömböket különböző elektromos mennyiséggel feltöltve és a köztük levő távolságot változtatva, felfedezte a róla elnevezett törvényt. Eszerint, az elektromos vonzó és taszító erő egyenesen arányos a két töltés szorzatával és fordítva arányos a köztük levő távolság négyzetével. E törvény alkalmazásával a töltés elektrosztatikus egységét, a franklint úgy definiálhatjuk, mint azt a töltést, amely 1 din erővel hat 1 cm-nyi távolságban levő ugyanolyan töltésre. A gyakorlatban a coulombot használjuk az elektromos töltés egységéül, amely a fentebb definiált elektrosztatikus egységnél, a franklinnél 3 milliárdszor nagyobb. Coulomb ugyanezt a torziós mérleget használta a mágnesek kölcsönhatásának vizsgálatára. Egy mágnest függesztett a szálra, a műszert körülvevő üvegedény tetején keresztül pedig egy másik mágnest dugott be függőlegesen. Kimutatta, hogy ugyanaz a törvény érvényes a mágneses kölcsönhatásra is. A mágneses póluserősség egysége ezért úgy definiálható, mint annak a mágneses pólusnak az ereje, amely 1 din erővel vonz vagy taszít egy 1 cm távolságra elhelyezett ugyanolyan erejű pólust.

A század közepén brit hajók több olyan különös trópusi édesvízi halat hoztak Londonba, melyek fájdalmasan megrázták azt, aki hozzájuk nyúlt. Tanulmányozás során a biológusok megállapították, hogy a hal csak akkor ráz, ha feje tetejét és testének alsó részét két kézzel érintették és a leydeni palack hatására emlékeztetett, amelyet akkoriban találtak fel. A halat ezért elektromos angolnának (Gymnotus electricus) nevezték el. Amikor bebizonyosodott, hogy a halat leydeni palack töltésére is lehet használni, nem volt többé kétséges, hogy villamos kisüléssel állnak szemben. A hal által létrehozott elektromosság felkeltette Luigi Galvani (1737. szept. 9. – 1798. dec. 4.) olasz fiziológus érdeklődését. Békacombok izomösszehúzódását Galvani bolognai étteremben kezdte tanulmányozni. Egyszer észrevette (így szól a történet), hogy az erkélye vasrácsán rézhorgon lógó levágott békaláb úgy rángatózott mint az élőé, amikor hozzáért a rács vasához. Hogy „kontrollált feltételek mellett” folytathassa megfigyelését, Galvani kísérletet végzett — laboratóriumi jegyzőkönyve tanúsága szerint 1786. szept. 20-án —, amelyben egy vasággal és egy rézággal bíró villával megérintette a békaláb idegét és izmát. A békaláb minden érintésnél azonnal összehúzódott. Galvani tévesen bizonyosra vette, hogy ez az elektromos angolna által okozott elektromos ütésekhez hasonló jelenség. Barátja, Alessandro Volta (1745. feb. 18. – 1827. már. 5) olasz fizikus hamarosan bebizonyította, hogy a békaláb összehúzódását okozó villamos áram tisztára szervetlen eredetű jelenség, amelyet mindig megfigyelhetünk, ha kétféle fémből összeforrasztott drót végét vizes sóoldatba mártjuk. Volta ezt a jelenséget fiziológus barátja tiszteletére galvanizmusnak nevezte el. Szerkesztett egy, ma ,,Volta-oszlop”-nak nevezett eszközt, amely nagyszámú, váltakozóan egymásra következő réz- és vas- vagy cinkkorongból áll, köztük sóoldatba mártott szövetrétegekkel. A Volta-oszlop az olyan modern villamos elemek prototípusa, amelyeket ma is használunk a zseblámpában és sok más készülékben. 1800 márciusában Volta beküldte a felfedezését leíró kéziratot közlésre a londoni Royal Society-nek, amely akkor a tudományos eszmecserék nemzetközi centruma volt. Ekkor igen szerencsétlen dolog történt. Carlisle és Nicholson, akik a Royal Society kiadványainak intézésével voltak megbízva, félretették a kéziratot, megismételték Volta kísérleteit és az eredményeket saját nevükkel közölték. Mesterkedésük azonban nem járt sikerrel. Volta vizsgálatait más forrásokból már ismerték, Carlisle-t és Nicholsont tudományos plagizálással vádolták és ők eltűntek a feledés homályában. Manapság a Volta-oszlop és a volt, az elektromos potenciál (feszültség) egysége örökíti meg a nagytehetségű olasz természettudós nevét.

Az elektromos potenciál a töltött testek elektromosságának a mértéke: tegyük fel, hogy van egy nagy gömb alakú vezetőnk, bizonyos elektromos töltéssel, amelyet növelni kívánunk. Ezt megtehetjük úgy, hogy szigetelt fogóval kis meghatározott töltésű fémgömböt a nagy gömbtől elég nagy távolságból (elméletben végtelen távolból) a nagy gömbhöz hozunk és hozzá érintjük. A két gömb között ható Coulomb-taszítás miatt bizonyos munkát kell végeznünk, hogy a két gömböt összehozzuk. Azt a munkát, amelyet így végezni kell ahhoz, hogy a nagy gömb töltését egységnyivel növeljük, a gömb elektromos potenciáljának nevezzük. Ha az elektromos töltést coulombban mérjük, a munkát pedig joule-ban, akkor az elektromos potenciált voltban kapjuk.

Nagyjából ugyanebben az időben élt Angliában egy igen különc és zárkózott jellemű férfi, Henry Cavendish (1731. okt. 10 – 1810. feb. 24), egy angol főnemes fia. Nem voltak barátai, félt a nőktől, Clapham Common-ban levő nagy háza cselédlányainak azt parancsolta, hogy ne mutatkozzanak előtte, az étkezésre vonatkozó utasításait naponta a hall asztalán hagyott cédulán találják meg. Nem érdekelte sem a zene, sem más művészet. Minden idejét a palotája magánlaboratóriumában végzett fizikai és kémiai kísérletekkel töltötte. Munkáját csak a hagyományos egészségügyi séták szakították félbe vagy pedig a Royal Society Club vacsorái, amelyeken hébe-hóba részt vett, hogy tájékozódjék afelől, min dolgozik a többi fizikus és kémikus. 79 éves korában halt meg s hosszú élete folyamán csak néhány aránylag jelentéktelen tanulmányt tett közzé. Publikált tanulmánya a fémek savakkal történő reakciója során felszabaduló „gyúlékony levegő” (hidrogén) és egyéb gázok tulajdonságaival foglalkoznak. Halála után azonban 1 millió fontot találtak a bankszámláján és 20 kötetnyi feljegyzést a laboratóriumában. A feljegyzések hosszú ideig rokonai kezében maradtak. Amikor, mintegy 100 évvel később, nyilvánosságra hozták őket, kitűnt, hogy Henry Cavendish egyike volt a legnagyobb kísérleti fizikusoknak és kémikusoknak, akik valaha éltek. Cavendish megalkotta az elektromos potenciál fogalmát, bevezette a kapacitás egységét, összefüggést adott meg a síkkondenzátor kapacitására. Megalkotta az anyagok dielektromos állandójának fogalmát. Megállapította az elektromos feszültség és az áramerősség közötti összefüggést (amely ma Ohm-törvényeként ismert). Felismerte a párhuzamosan kapcsolt áramköri ágakban folyó áramok erőssége közötti összefüggést (ezt ma Charles Wheatstone nevéhez kötjük). Coulomb-mal egy időben fedezte fel az elektromos és a mágneses kölcsönhatások törvényeit. Kémia terén végzett munkássága pedig egyenrangú Lavoisier teljesítményével. Torziós inga segítségével tanulmányozta a kis tárgyak közti rendkívül gyenge gravitációs erőt és kísérletei alapján meghatározta a Föld tömegének egzakt értékét (pontosabban sűrűségét). Fizikai egység ugyan nincs róla elnevezve, a cambridge-i Cavendish Laboratórium azonban egyike a világ legnagyobb hírű tudományos központjainak.

Follow

Comments Off on Motor- és hajtásvezérlés alapelvei.

By Gondozó, 2011. September 19 18:23

Villamos hajtásról, mozgásvezérlésről, pozicionálásról, és alkalmazási területekről általánosan.

Legyen szó hobbiról, háztartási vagy ipari alkalmazásról, mindenhol találkozunk villamos hajtással. Legyen ez játékautó, turmixgép, ablaktörlő vagy nagy precizitású marógép a lényeg ugyanaz: elektromos energiát alakítunk át valamilyen mozgási energiává.  Attól függően, hogy ez a mozgás mennyire pontos, reprodukálható illetve mekkora teljesítményűnek kell lennie, más és más megoldások születnek. Néha végtelenül bonyolultaknak tűnhetnek és manapság nem ritka, hogy ezeknek a folyamatoknak a vezérlését speciális számítógépek végzik (hiszen ezért lettek kifejlesztve, hogy unhatatlanul ugyanazzal a pontossággal újra és újra végezzék el a rájuk bízott munkát).

De nézzük csak, milyen elemekből áll össze egy ilyen vezérlés. A képen egy mozgásvezérlő egyszerűsített vázlata látható, melyben a mechanizmus (Me) a meghajtott eszköz (tengely, kar, kerék vagy egy bonyolultabb rendszer), Mo – a nyomatékot szolgáltató motor, E – végfok vagy más szóval erősítő, mely a vezérlő (Ve, lehet előre programozott v. programozható) által megküldött parancs alapján (gyorsít, állandó sebességgel forog, lassít, helyben tart, áll) a motor fizikai tulajdonságainak megfelelően elektromos jelet generál (lehet egyenáram, váltó áram; szinusz, kocka, fűrész vagy egyéb egy vagy több fázisú jel), S – érzékelő (mérő rendszer), mely visszacsatolást biztosít a vezérlőnek, erősítőnek a pillanatnyi helyzetről (sebesség, pozíció és más jellemzők) ezáltal biztosítva a rendszer helyes és optimális működését.  A Táp -egység biztosítja az egész rendszer energiáját, megfelelő feszültséget és kellő mennyiségű áramot szolgáltatva a rendszer elemeinek.  Mivel a gépeket általában emberek is kezelik, így egy kezelőfelület, idegen szóval, Human-Interface (HI) is helyet kap a rendszerűnkben. Ezen keresztül közöljük, hogy milyen műveleteket szeretnénk elvégezni. Ez a művelet is lehet nagyon egyszerű – egy kar elmozdítása, egy zár nyitása vagy egy egész  komplex program, melynek eredménye egy kész termék, becsomagolva, szállítási okmányokkal ellátva. A határ a csillagos ég, de térjünk vissza az elemi részekhez -motorokhoz és mozgásvezérlőkhöz.

Villamos hajtások terén igen széles és folyton bővülő választékkal rendelkezünk (folynak kutatások olyan mozgató eszközök fejlesztésében, melyek az izomműködés elvét használnák fel elektromos-mechanikus energia átalakításában). Ezekből az alkalmazásnak leginkább megfelelő technológiájú eszközöket célszerű választani. Minden motor-technológiának megvannak a határai, gyenge pontja(i) és sajátos hajtást igényel(het).

Továbbiakban egy rövid összefoglalást szeretnék adni arról, hogy a fent említett motortechnológiák milyen értékeken belül alkalmazhatók és milyen tulajdonságokkal vértezték fel ezeket. Mivel a hobbi-élet Magyarországon magas százalékban árérzékeny, megpróbálom ennek megfelelő sorrendbe rakni ezeket, figyelembe véve a karbantartási és a vezérlési kiadásokat.

Follow

Comments (0)

By Gondozó, 2010. December 29 00:06

Kedves ismerősöm mutatott egy igen hasznos programot, mely hobbi célokra kiváló, és csak annyiba kerül, amennyit hajlandóak vagyunk érte fizetni. Ez a Christian Zeitnitz által fejlesztett szoftveres oszcilloszkóp.

Ezzel a kis programmal 44kHz frekvenciával és 16 bit felbontással tudjuk elemezni a jeleket hangkártya bemenetéről de akár WAV fájlból is. Érzékenységi tartománya 20 és 20 000 Hz közé esik. Ezenkívül rendelkezik kétcsatornás jelgenerátorral is, mely szinusz, négyzet, háromszög és fűrészfog jelek generálására alkalmas 0 és 20kHz tartományban. Ezenkívül találunk benne még más finomságokat is, mint például Fourier spektrum analizáló, frekvencia szűrő, jelrögzítő és egyéb hasznos dolgot.

Jelszint, mint az általában lenni szokott a hangkártyáknál -7 és +7V között van. Magasabb feszültségek vizsgálatához feszültségosztó alkalmazása szükséges. Egy védő diódával további óvintézkedéseket tehetünk hangkártyánk és PC-nk megóvása érdekében.

Gépigénye minimális: 30MB háttértár, és kb. 1GHz CPU sebesség már teljesen kielégítik a program igényeit. A szoftver nemkereskedelmi célokra szabadon felhasználható.

Telepítő fájl letölthető a fejlesztő oldaláról: scope V1.41

Egyéb hasonló projekt:

Jelgenerátor
Winscope
Visual Analyser Project

Follow

Comments (0)

By Gondozó, 2010. December 8 09:34

Tranzisztorok

NPN

BC182B
BC639

PNP

BC212A
BC640-16

FET

IRF9540N

IC

LM1872 Radio Control Receiver Decoder

LM1871 RC Encoder Transmitter

Follow